مرجع جهد فجوة النطاق

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

دائرة مرجع جهد فجوة النطاق هي دائرة مرجعية للجهد تُستخدم على نطاق واسع في الدوائر المتكاملة . تُنتج هذه الدائرة جهدًا ثابتًا تقريبًا يتوافق مع فجوة النطاق النظرية لأشباه الموصلات ، مع تقلبات طفيفة جدًا ناتجة عن تغيرات مصدر الطاقة ، والحمل الكهربائي ، والوقت، ودرجة الحرارة ( اعتبارًا من عام 1999) .، وعادة ما يكون لديهم خطأ أولي يتراوح بين 0.5 و 1.0% ومعامل درجة حرارة يتراوح بين 25 و 50 جزءًا في المليون / درجة مئوية ). [ 1 ]

قام ديفيد هيلبيبر من شركة فيرتشايلد سيميكوندكتور بتقديم براءة اختراع في عام 1963 [ 2 ] ونشر مفهوم الدائرة هذا في عام 1964. [ 3 ] قام بوب ويدلار [ 4 ] وبول بروكاو [ 5 ] وآخرون [ 6 ] بمتابعة ذلك بإصدارات أخرى ناجحة تجاريًا.

عملية

دائرة مرجعية لفجوة النطاق لبروكاو
خصائص ونقطة توازن T1 و T2

يُستخدم فرق الجهد بين وصلتين من نوع p-n (مثل الثنائيات )، تعملان بكثافات تيار مختلفة، لتوليد تيار يتناسب طرديًا مع درجة الحرارة المطلقة ( PTAT ) في مقاومة. يُستخدم هذا التيار لتوليد جهد في مقاومة ثانية. يُضاف هذا الجهد بدوره إلى جهد إحدى الوصلتين (أو وصلة ثالثة في بعض التطبيقات). يكون الجهد عبر ثنائي يعمل بتيار ثابت مكملاً لدرجة الحرارة المطلقة ( CTAT )، بمعامل حراري يبلغ حوالي -2  ملي فولت/كلفن. إذا تم اختيار النسبة بين المقاومتين الأولى والثانية بشكل صحيح، فإن التأثيرات من الدرجة الأولى لاعتماد الثنائي على درجة الحرارة وتيار PTAT ستلغي بعضها بعضًا.

على الرغم من أن فجوة نطاق السيليكون (Si) عند درجة حرارة الصفر المطلق (0 كلفن) تبلغ تقنيًا 1.165 إلكترون فولت ، إلا أن الدائرة تقوم أساسًا باستقراء منحنى فجوة النطاق-درجة الحرارة خطيًا [ 7 ] لتحديد قيمة مرجعية أعلى قليلًا ولكنها دقيقة، تتراوح بين 1.2 و1.3 فولت (تعتمد القيمة المحددة على التقنية المستخدمة وتصميم الدائرة). ويبلغ التغير المتبقي في الجهد مع درجة حرارة التشغيل للدوائر المتكاملة النموذجية بضعة ميلي فولتات. ويتسم هذا التغير في الجهد مع درجة الحرارة بسلوك متبقٍ مكافئ ، نظرًا لاختيار التأثيرات الخطية (من الدرجة الأولى) بحيث تلغي بعضها بعضًا.   

نظرًا لأن جهد الخرج ثابتٌ بحكم التعريف عند حوالي 1.25  فولت في دوائر مرجعية نموذجية ذات فجوة نطاق من السيليكون، فإن الحد الأدنى لجهد التشغيل يبلغ حوالي 1.4  فولت، حيث يتطلب الأمر في دوائر CMOS جمع جهد واحد على الأقل بين المصرف والمصدر لترانزستور تأثير المجال (FET). ولذلك، تركز الأبحاث الحديثة على إيجاد حلول بديلة، حيث يتم جمع التيارات بدلًا من الجهود، مما يؤدي إلى حد نظري أدنى لجهد التشغيل. [ 6 ]

يُساء فهم الحرف الأول من الاختصار، CTAT، أحيانًا على أنه يرمز إلى الثابت بدلًا من المكمل . وقد وُجد مصطلح " ثابت مع درجة الحرارة " ( CWT ) لتوضيح هذا الالتباس، ولكنه ليس شائع الاستخدام.

عند جمع تيار PTAT وتيار CTAT، يتم تعويض الحدود الخطية للتيار فقط، بينما تحدّ الحدود ذات الرتبة الأعلى من انحراف درجة الحرارة (TD) لمرجع فجوة النطاق عند حوالي 20  جزءًا في المليون/درجة مئوية، ضمن نطاق درجة حرارة 100  درجة مئوية. لهذا السبب، صمّم مالكوفاتي [ 8 ] في عام 2001 بنية دارة قادرة على تعويض اللاخطية ذات الرتبة الأعلى، مما يحقق انحرافًا أفضل في درجة الحرارة. استخدم هذا التصميم نسخة محسّنة من بنية بانبا [ 6 ] وتحليلًا لتأثيرات درجة حرارة القاعدة-الباعث أجراه تسيفيديس في عام 1980. [ 9 ] في عام 2012، حسّن أندريو [ 10 ] [ 11 ] تعويض اللاخطية ذات الرتبة الأعلى باستخدام مضخم عمليات ثانٍ مع ساق مقاومة إضافية عند نقطة جمع التيارين. عزّزت هذه الطريقة تصحيح الانحناء وحققت أداءً أفضل في انحراف درجة الحرارة ضمن نطاق أوسع من درجات الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، فقد حقق تحسينًا في تنظيم الخط وانخفاضًا في الضوضاء .

تُعدّ كفاءة الطاقة وحجم الدائرة من القضايا الحاسمة الأخرى في تصميم مراجع فجوة النطاق. ونظرًا لأن مرجع فجوة النطاق يعتمد عمومًا على ترانزستورات ثنائية القطبية ومقاومات، فقد يكون الحجم الإجمالي للدائرة كبيرًا، وبالتالي مكلفًا لتصميم الدوائر المتكاملة. علاوة على ذلك، قد يستهلك هذا النوع من الدوائر قدرًا كبيرًا من الطاقة للوصول إلى مواصفات الضوضاء والدقة المطلوبة. [ 12 ]

على الرغم من هذه القيود، يُستخدم مرجع جهد فجوة النطاق على نطاق واسع في منظمات الجهد، حيث يغطي غالبية أجهزة 78xx و79xx بالإضافة إلى TL431 و LM317 وLM337 التكميلية .  ويمكن الحصول على معاملات حرارية منخفضة تصل إلى 1.5-2.0 جزء في المليون/درجة مئوية باستخدام مراجع فجوة النطاق. [ أ ] ومع ذلك، فإن الخاصية القطعية للجهد مقابل درجة الحرارة تعني أن رقمًا واحدًا بوحدة جزء في المليون/درجة مئوية لا يصف سلوك الدائرة بشكل كافٍ. وتُظهر بيانات الشركات المصنعة أن درجة الحرارة التي تحدث عندها ذروة (أو قاع) منحنى الجهد تخضع لاختلافات طبيعية بين العينات أثناء الإنتاج. كما أن مراجع فجوة النطاق مناسبة أيضًا للتطبيقات منخفضة الطاقة. [ ب ]

قد توفر وحدات التحكم الدقيقة ذات الإشارات المختلطة إشارة مرجعية داخلية لفجوة النطاق لاستخدامها كمرجع لأي مقارن داخلي (مقارنات) ومحول تناظري إلى رقمي (محولات).

براءات الاختراع

  • 1966، براءة اختراع أمريكية رقم 3271660، مصدر جهد مرجعي ، ديفيد هيلبيبر. [ 13 ]
  • 1971، براءة اختراع أمريكية رقم 3617859، جهاز تنظيم كهربائي يتضمن دائرة مرجعية للجهد بمعامل درجة حرارة صفري ، روبرت دوبكين وروبرت ويدلار . [ 14 ]
  • 1981، براءة اختراع أمريكية رقم 4249122، مراجع جهد IC ذات فجوة نطاق معوضة حرارياً ، روبرت ويدلار . [ 15 ]
  • 1984، براءة اختراع أمريكية رقم 4447784، دائرة مرجعية لجهد فجوة النطاق معوضة حرارياً ، روبرت دوبكين . [ 16 ]

ملحوظات

  1. ↑ على سبيل المثال، LT6657 من شركة Linear Technology و ADR4550 من شركة Analog Devices.
  2. ↑ على سبيل المثال، تيار الكاثود 1 ميكرو أمبير مع مرجع جهد التحويلة MAX6009 من Maxim Integrated.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ميلر، بيري؛ مور، دوغ (نوفمبر 1999). "مراجع الجهد الدقيقة" (ملف PDF) . شركة تكساس إنسترومنتس . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 17 مايو 2023. تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 يناير 2024 .
  2. ↑ US3271660A ، هيلبيبر، ديفيد ف.، "مصدر جهد مرجعي"، صدر بتاريخ 1966-09-06 
  3. ↑ هيلبيبر، د. ف. (1964). "معيار جديد لجهد أشباه الموصلات". مؤتمر IEEE الدولي للدوائر المتكاملة الصلبة لعام 1964. ملخص الأوراق التقنية . مؤتمر IEEE الدولي للدوائر المتكاملة الصلبة لعام 1964: ملخص الأوراق التقنية. المجلد 2. الصفحات 32-33 . doi : 10.1109/ISSCC.1964.1157541 .  
  4. ↑ ويدلار، روبرت ج. (فبراير 1971)، "تطورات جديدة في منظمات الجهد المتكاملة"، مجلة IEEE للدوائر المتكاملة ، 6 (1): 2-7 ، Bibcode : 1971IJSSC...6....2W ، doi : 10.1109/JSSC.1971.1050151 ، S2CID 14461709 
  5. ↑ بروكاو، بول (ديسمبر 1974)، "مرجع بسيط لفجوة النطاق لدائرة متكاملة ثلاثية الأطراف"، مجلة IEEE للدوائر المتكاملة ، 9 (6): 388-393 ، Bibcode : 1974IJSSC...9..388B ، doi : 10.1109/JSSC.1974.1050532 ، S2CID 12673906 
  6. 1 2 3 بانبا، هـ؛ شيجا، ه.؛ أوميزاوا، أ؛ ميابا، ت.؛ تانزاوا، ت.؛ أتسومي، S .؛ ساكوي، ك. (مايو 1999)، “دائرة مرجعية ذات فجوة نطاق CMOS مع عملية فرعية 1-V”، مجلة IEEE لدوائر الحالة الصلبة ، 34 (5): 670–674 ، بيب كود : 1999IJSSC..34..670B ، دوى : 10.1109 / 4.760378 ، S2CID 10495180 
  7. ↑ انظر إلى الشرائح 8-9 من الرابط https://people.engr.tamu.edu/s-sanchez/607%20Lect%204%20Bandgap-2009.pdf و https://users.wpi.edu/~mcneill/handouts/BandgapPrinciple.pdf لرسم هذا الاستقراء الخطي.
  8. ^ مالكوفاتي، ص. مالوبيرتي، F .؛ فيوتشي، C .؛ بروزي، م. (2001). “فجوة نطاق BiCMOS المعوضة للانحناء مع جهد إمداد 1-V”. مجلة IEEE لدوائر الحالة الصلبة . 36 (7): 1076–1081 . بيب كود : 2001IJSSC..36.1076M . سيتيسيركس 10.1.1.716.6243 . دوى : 10.1109/4.933463 . S2CID 7504312 .  
  9. ↑ YP Tsividis، "تحليل دقيق لتأثيرات درجة الحرارة في خصائص Ic-Vbe مع تطبيق على مصادر مرجعية لفجوة النطاق"، IEEE J. Solid-State Circuits، المجلد 15، العدد 6، الصفحات 1076 – 1084، ديسمبر 1980.
  10. ↑ أندريو، شارالامبوس م.؛ كودوناس، سافاس؛ جورجيو، يوليوس (2012). "دائرة مرجعية جديدة لفجوة النطاق بتقنية CMOS ذات نطاق حراري واسع، ودقة 3.9 جزء في المليون/درجة مئوية". مجلة IEEE للدوائر المتكاملة . 47 (2): 574-581 . Bibcode : 2012IJSSC..47..574A . doi : 10.1109/JSSC.2011.2173267 . S2CID 34901947 . 
  11. ↑ كودوناس، سافاس؛ أندريو، شارالامبوس م.؛ جورجيو، يوليوس (2010). "دائرة مرجعية جديدة لفجوة النطاق بتقنية CMOS مع تعويض حراري عالي الرتبة مُحسَّن". وقائع ندوة IEEE الدولية للدوائر والأنظمة لعام 2010. الصفحات 4073-4076 . doi : 10.1109/ISCAS.2010.5537621 . ISBN  978-1-4244-5308-5. S2CID 30644500 . 
  12. ↑ تاجالي، أ.؛ أتارودي، م.؛ خوداوردي، أ.؛ سهندي إسفنجاني، ف. (2004). "تصميم وتحسين مرجع جهد فجوة النطاق بتقنية CMOS ذي نسبة رفض عالية لمصدر الطاقة". ندوة IEEE الدولية للدوائر والأنظمة لعام 2004 (رقم تصنيف IEEE: 04CH37512) . الصفحات من 45 إلى 48. doi : 10.1109/ISCAS.2004.1328127 . ISBN  0-7803-8251-X. S2CID 9650641 . 
  13. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 3271660 - مصدر جهد مرجعي ، ديفيد ف. هيلبيبر؛ مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية بالولايات المتحدة؛ 6 سبتمبر 1966.
  14. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 3617859 - جهاز تنظيم كهربائي يتضمن دائرة مرجعية للجهد بمعامل درجة حرارة صفري ؛ روبرت سي دوبكين وروبرت جيه ويدلار؛ مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية بالولايات المتحدة؛ 2 نوفمبر 1971.
  15. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 4249122 - مراجع جهد IC ذات فجوة نطاق معوضة حرارياً ؛ روبرت جيه ويدلار؛ مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية بالولايات المتحدة؛ 3 فبراير 1981.
  16. ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 4447784 - دائرة مرجعية لجهد فجوة النطاق معوضة بدرجة الحرارة ؛ روبرت سي دوبكين؛ مكتب براءات الاختراع والعلامات التجارية بالولايات المتحدة؛ 8 مايو 1984.