バンドギャップ電圧リファレンス

バンドギャップ電圧リファレンスは、集積回路で広く使用されている電圧リファレンス回路です。特定の半導体の理論的なバンドギャップに対応するほぼ一定の電圧を生成し、電源、電気負荷、時間、温度の変動による変動が非常に小さいです（1999年時点では、初期誤差は0.5～1.0%、温度係数は25～50 ppm / °Cです）。[ 1 ]

フェアチャイルドセミコンダクターのデイヴィッド・ヒルビバーは1963年に特許を申請し[ 2 ]、1964年にこの回路コンセプトを公開しました。[ 3 ]ボブ・ウィドラー、[ 4 ]ポール・ブロコウ[ 5 ]その他[ 6 ]がその後、商業的に成功したバージョンを開発しました。

手術

Brokawバンドギャップリファレンスの回路
T1とT2の特性とバランスポイント

異なる電流密度で動作する2つのp-n接合（ダイオードなど）間の電圧差は、抵抗器に絶対温度（PTAT）に比例する電流を生成するために使用されます。この電流は、2番目の抵抗器に電圧を生成するために使用されます。この電圧は、接合の1つ（実装によっては3番目の接合）の電圧に加算されます。定電流で動作するダイオードの両端の電圧は絶対温度（CTAT）と相補的であり、温度係数は約-2  mV/Kです。第1抵抗器と第2抵抗器の比率が適切に選択されると、ダイオードの温度依存性とPTAT電流の一次効果は打ち消されます。

シリコン（Si）の0 Kにおけるバンドギャップは技術的には1.165 eVですが、この回路は基本的にバンドギャップ-温度曲線[ 7 ]を線形外挿し、わずかに高いものの正確な基準電圧を1.2～1.3 V程度に設定します（具体的な値は個々の技術と回路設計によって異なります）。一般的な集積回路の動作温度範囲における残りの電圧変化は、数ミリボルト程度です。この温度依存性は、線形（一次）効果が打ち消されるように選択されるため、 典型的な放物線状の残差挙動を示します。   

 典型的なSiバンドギャップリファレンス回路では、出力電圧は定義上1.25 V前後に固定されているため、 CMOS 回路では電界効果トランジスタ（FET）のドレイン-ソース間電圧を少なくとも1つ加算する必要があるため、最小動作電圧は約1.4 Vとなります。そのため、最近の研究では、電圧ではなく電流を加算するなど、動作電圧の理論限界を引き下げる代替ソリューションの開発に注力しています。[ 6 ]

頭字語の最初の文字であるCTATは、相補的ではなく定数を表すと誤解されることがあります。この混乱に対処するために、温度一定（CWT ）という用語が存在しますが、広く使用されていません。

PTAT 電流と CTAT 電流を加算すると、電流の線形項のみが補償され、高次項はバンドギャップ リファレンスの温度ドリフト (TD) を 100 °C の温度範囲で約 20 ppm/°Cに制限します 。 このため、2001 年に Malcovati [ 8 ]は、高次非線形性を補償できる回路トポロジを設計し、TD を改善しました。 この設計では、Banba [ 6 ]のトポロジの改良版と、1980 年に Tsividis が行ったベース-エミッタ温度の影響の解析が使用されました[ 9 ]。 2012 年に Andreou [ 10 ] [ 11 ]は、2 つの電流が加算されるポイントで第 2 のオペアンプと追加の抵抗レッグを使用することで、高次非線形補償をさらに改善しました。 この方法により、曲率補正がさらに強化され、より広い温度範囲で優れた TD 性能が実現されました。さらに、ラインレギュレーションの改善とノイズの低減も実現しました。

バンドギャップリファレンスの設計におけるもう一つの重要な課題は、電力効率と回路規模です。バンドギャップリファレンスは一般的にBJTデバイスと抵抗器に基づいているため、回路全体の規模が大きくなり、IC設計コストが高くなる可能性があります。さらに、この種の回路は、所望のノイズと精度仕様を達成するために多大な電力を消費する可能性があります。[ 12 ]

これらの制限にもかかわらず、バンドギャップ電圧リファレンスは電圧レギュレータに広く使用されており、78xx、79xxデバイスの大部分に加え、TL431、そして補完的なLM317とLM337も含まれています。バンドギャップリファレンスでは、1.5～2.0 ppm/°Cという低い温度係数を 実現できます。[ a ]しかし、電圧対温度特性は放物線状であるため、ppm/°Cという単一の数値では回路の動作を適切に表すことはできません。メーカーのデータシートには、電圧曲線のピーク（または谷）が発生する温度は、製造時のサンプルばらつきの影響を受けることが示されています。バンドギャップリファレンスは、低消費電力アプリケーションにも適しています。[ b ]

ミックスドシグナルマイクロコントローラは、内部コンパレータやアナログ/デジタルコンバータのリファレンスとして使用される内部バンドギャップリファレンス信号を提供する場合があります。

特許

注記

  1. ^たとえば、Linear Technology の LT6657 や Analog Devices の ADR4550 など。
  2. ^たとえば、 Maxim Integrated MAX6009 シャント電圧リファレンスを使用した場合の 1 μA のカソード電流。

参照

参考文献

  1. ^ Miller, Perry; Moore, Doug (1999年11月). 「高精度電圧リファレンス」(PDF) . Texas Instruments . 2023年5月17日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2024年1月20日閲覧.
  2. ^ US3271660A、ヒルビバー、デイビッド・F.、「基準電圧源」、1966年9月6日発行 
  3. ^ Hilbiber, DF (1964). 「新しい半導体電圧標準」. 1964 IEEE国際固体回路会議. 技術論文ダイジェスト. 1964 国際固体回路会議: 技術論文ダイジェスト. 第2巻. pp.  32– 33. doi : 10.1109/ISSCC.1964.1157541 .
  4. ^ Widlar, Robert J. (1971年2月)、「IC電圧レギュレータの新開発」、IEEE Journal of Solid-State Circuits、6 (1): 2– 7、Bibcode : 1971IJSSC...6....2W、doi : 10.1109/JSSC.1971.1050151、S2CID 14461709 
  5. ^ Brokaw, Paul (1974年12月)、「シンプルな3端子ICバンドギャップリファレンス」、IEEE Journal of Solid-State Circuits、9 (6): 388– 393、Bibcode : 1974IJSSC...9..388B、doi : 10.1109/JSSC.1974.1050532、S2CID 12673906 
  6. ^ a b cバンバ、H.志賀 宏；梅沢 明;宮場哲也;丹沢、T.渥美、S.作井、K. (1999 年 5 月)、「サブ 1-V 動作の CMOS バンドギャップ基準回路」、IEEE Journal of Solid-State Circuits、34 (5): 670–674、Bibcode : 1999IJSSC..34..670B、doi : 10.1109/4.760378、S2CID 10495180 
  7. ^ https://people.engr.tamu.edu/s-sanchez/607%20Lect%204%20Bandgap-2009.pdfスライド 8-9 およびhttps://users.wpi.edu/~mcneill/handouts/BandgapPrinciple.pdfでこの線形外挿をグラフ化しています。
  8. ^マルコバティ、P.;マロベルティ、F.フィオッキ、C.プルッツィ、M. (2001)。 「電源電圧 1 V の曲率補償 BiCMOS バンドギャップ」。IEEE ソリッドステート回路ジャーナル。36 (7): 1076–1081。書誌コード: 2001IJSSC..36.1076M。CiteSeerX 10.1.1.716.6243。土井: 10.1109/4.933463。S2CID 7504312。  
  9. ^ YP Tsividis、「バンドギャップ基準源への応用によるIc-Vbe特性の温度影響の正確な分析」、IEEE J. Solid-State Circuits、vol. 15、no. 6、pp. 1076 – 1084、1980年12月。
  10. ^ Andreou, Charalambos M.; Koudounas, Savvas; Georgiou, Julius (2012). 「新型広温度範囲3.9 PPM/°C CMOSバンドギャップリファレンス回路」. IEEE Journal of Solid-State Circuits . 47 (2): 574– 581. Bibcode : 2012IJSSC..47..574A . doi : 10.1109/JSSC.2011.2173267 . S2CID 34901947 . 
  11. ^ Koudounas, Savvas; Andreou, Charalambos M.; Georgiou, Julius (2010). 「改良された高次温度補償を備えた新しいCMOSバンドギャップリファレンス回路」. Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems . pp.  4073– 4076. doi : 10.1109/ISCAS.2010.5537621 . ISBN 978-1-4244-5308-5. S2CID  30644500 .
  12. ^ Tajalli, A.; Atarodi, M.; Khodaverdi, A.; Sahandi Esfanjani, F. (2004). 「高PSRR CMOSバンドギャップ電圧リファレンスの設計と最適化」. 2004 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (IEEE Cat. No.04CH37512) . pp.  I-45 – I-48 . doi : 10.1109/ISCAS.2004.1328127 . ISBN 0-7803-8251-X. S2CID  9650641 .
  13. ^ US Patent 3271660 -基準電圧源、David F Hilbiber、米国特許商標庁、1966年9月6日。
  14. ^米国特許3617859 -ゼロ温度係数電圧基準回路を含む電気レギュレータ装置；Robert C DobkinおよびRobert J Widlar；米国特許商標庁；1971年11月2日。
  15. ^ US Patent 4249122 -温度補償バンドギャップIC電圧リファレンス; Robert J Widlar; 米国特許商標庁; 1981年2月3日。
  16. ^米国特許4447784 -温度補償バンドギャップ電圧リファレンス回路; Robert C Dobkin; 米国特許商標庁; 1984年5月8日。
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