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、温度の変化による変動はほとんどありません（1999年現在、初期誤差は通常0.5〜1.0％、温度係数は25〜50 ppm / °Cです）。^[1]^{[アップデート]}

フェアチャイルドセミコンダクターのデイビッド・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発表しました。 ^[3] ボブ・ウィドラー、^[4] ポール・ブロコウ^[5]ら^[6]はその後、商業的に成功したバージョンを開発しました。

手術

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) の電圧に追加されます。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。最初の抵抗器と 2 番目の抵抗器の比率が適切に選択されていれば、ダイオードの温度依存性の一次効果と PTAT 電流が相殺されます。

シリコン（Si）の0Kでのバンドギャップは技術的には1.165eVですが、回路は基本的にバンドギャップ-温度曲線^[7]を線形に外挿して、わずかに高いが正確な約1.2～1.3Vの基準を決定します（具体的な値は特定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にわたる残りの電圧変化は、数ミリボルトのオーダーです。この温度依存性は、線形（一次）効果がキャンセル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が定義上1.25V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つ追加する必要があるため、最小動作電圧は約1.4Vになります。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下げる代替ソリューションを見つけることに注力しています。^[6]

頭字語の最初の文字 CTAT は、補完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 )という用語は存在しますが、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によって実行されたベース-エミッタ温度の影響の分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2番目の}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性能が実現しました。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問題は、電力効率と回路のサイズです。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、回路全体のサイズが大きくなり、IC設計にコストがかかります。さらに、このタイプの回路は、必要なノイズと精度の仕様に到達するために多くの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で広く使用されており、TL431や補完的なLM317および LM337 とともに、78xx、79xx デバイスの大半をカバーしています。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]ただし、電圧対温度の放物線特性により、ppm/°C の単一の数値では回路の動作を適切に説明できません。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、製造時の通常のサンプル変動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

1966年、米国特許3271660、基準電圧源、デビッド・ヒルビバー。^[13]
1971年、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、ロバート・ドブキンとロバート・ウィドラー。^[14]
1981年、米国特許4249122、温度補償バンドギャップIC電圧リファレンス、ロバート・ウィドラー。^[15]
1984年、米国特許4447784、温度補償バンドギャップ電圧基準回路、ロバート・ドブキン。^[16]

注記

^ たとえば、Linear Technology の LT6657 や Analog Devices の ADR4550 などです。
^ 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

^ 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。
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^ 米国特許 3271660 - 基準電圧源、David F Hilbiber、米国特許商標庁、1966 年 9 月 6 日。
^ 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。
^ 米国特許 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。
^ 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。

外部リンク

バンドギャップリファレンス回路の設計：試行錯誤 p. 286 – Robert Pease、ナショナルセミコンダクター
CMOS電圧リファレンスの特徴と限界
ECE 327: LM317 バンドギャップ電圧リファレンスの例 – LM317 内の温度に依存しないバンドギャップリファレンス回路の簡単な説明。

[13] たとえば、Linear Technology の LT6657 や Analog Devices の ADR4550 などです。

[14] 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。

[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、デビッド F.、「基準電圧源」、1966 年 9 月 6 日発行

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[7] ttps://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 この線形外挿をグラフ化します

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[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 国際回路およびシステムシンポジウム (IEEE Cat. No.04CH37512) . pp. I-45–I-48. doi :10.1109/ISCAS.2004.1328127. ISBN 0-7803-8251-X. S2CID 9650641。

[15] 米国特許 3271660 - 基準電圧源、David F Hilbiber、米国特許商標庁、1966 年 9 月 6 日。

[16] 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。

[17] 米国特許 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。

[18] 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。