چگونه یک آی سی ولتاژ رفرنس انتخاب کنیم؟

دنیای واقعی یک دنیای آنالوگ است. تمام دستگاه های الکترونیکی باید به نوعی با دنیای “واقعی” ارتباط برقرار کنند، خواه در یک اتومبیل ، مایکروویو یا تلفن همراه باشند. برای این منظور، الکترونیک باید پارامترهای دنیای واقعی (سرعت، فشار، طول، دما) را اندازه گرفته و به مقداری معنی ‌دار (Voltage) در دنیای الکترونیک تبدیل کند. البته، برای اندازه گیری ولتاژ، به یک استاندارد نیاز دارید تا نسبت به آن اندازه گیری کنید. این استاندارد یک مرجع ولتاژ است. حال سوال یک طراح این نیست که ولتاژ رفرنس نیاز دارد یا خیر، بلکه این است که چه ولتاژ رفرنسی نیاز دارد؟

مرجع ولتاژ بسیار ساده است: یک مدار یا یک عنصر مداری که پتانسیل مشخصی را تا زمانی که مدار به آن نیاز داشته باشد فراهم می کند. حال ممکن است این زمان، دقایقی ، ساعتها یا سالها باشد.

کاربرد معمول یک ولتاژ رفرنس برای یک ADC

اگر محصولی با دنیای حقیقی سروکار داشته باشد (مانند اندازه‌گیری ولتاژ باتری یا جریان ، مصرف برق ، اندازه یا ویژگی های سیگنال یا شناسایی خطا) باید سیگنال مورد نظر با یک استاندارد مقایسه شود. هر یک از مقایسات، ADC ، DAC یا مدارات آشکار ساز، باید برای انجام کار خود یک مرجع ولتاژ داشته باشند. با مقایسه سیگنال مد نظر با مقدار شناخته شده ، هر سیگنال را می توان با دقت اندازه گیری کرد.

ویژگی‌های مرجع ولتاژ
ولتاژ رفرنس‌ها انواع و اقسام مختلفی دارند، اما در نهایت، دقت و ثبات مهمترین ویژگی های مرجع ولتاژ هستند، زیرا هدف اصلی ولتاژ رفرنس تهیه یک ولتاژ خروجی مشخص است. تغییر از این مقدار شناخته شده خطا است. مشخصات ولتاژ رفرنس شرایطی که منجر به عدم قطعیت خواهد شد را پیش‌بینی می‌کند.

Temperature Drift
این خصوصیات بیشتر برای ارزیابی عملکرد ولتاژ رفرنس مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا تغییر ولتاژ خروجی را در دماهای مختلف نشان می دهد. Temperature Drift در اثر نقص و غیرخطی بودن عناصر مدار ایجاد می شود و در نتیجه اغلب غیرخطی است.

برای بسیاری از قطعات، Temperature Drift، TC ، که بر حسب ppm / ° C مشخص شده است، منبع خطای اصلی است. برای قطعات با drift مداوم ، کالیبراسیون امکان پذیر است. تصور غلط رایجی که در مورد Temperature Drift وجود دارد این است که خطی است. این امر منجر به فرضیاتی از قبیل “این قطعه در محدوده دمایی های کوچک drift کمی خواهد داشت.” خواهد شد.

برای ولتاژ رفرنس‌هایی که در محدوده مشخص شده خطی هستند، یا برای آن‌هایی که به دقت تنظیم نشده اند، می توان بدترین خطای ممکن را متناسب با محدوده دمایی در نظر گرفت. این بدان دلیل است که به احتمال زیاد حداکثر و حداقل ولتاژهای خروجی در حداکثر و حداقل دمای کارکرد یافت می شوند. با این حال ، برای رفرنس‌های بسیار دقیق، که اغلب با Temperature Drift بسیار پایین آنها مشخص می شود، ماهیت غیرخطی ولتاژ رفرنس ممکن است حاکم باشد.

بهترین استفاده از مشخصات Temperature Drift محاسبه حداکثر خطای کل در محدوده دمای مشخص شده است. به طور کلی محاسبه خطا‌ها در یک محدوده نامشخص به صلاح نیست مگر اینگه ویژگی‌های Temperature Drift به خوبی درک شده باشند.

پایداری بلند مدت - (Long Term Stability)
این فاکتور معیاری برای اندازه‌گیری تمایل تغییر در ولتاژ رفرنس در طول زمان، مستقل از دیگر متغیرهاست. دریفت اولیه عمدتا به خاطر استرس‌های مکانیکی ایجاد می‌شود. این اثر استرسی میل به شیفت اولیه بالایی داشته که با گذشت زمان سریعا کاهش می‌یابد. همچنین دریفت اولیه مشخصات الکتریکی عناصر مداری را تغییر می‌دهد. تغییرات طولانی تر به علت تغییرات الکتریکی در عناصر مداری (پیری) اتفاق می‌افتد. این دریفت با سرعت کمتری اتفاق می‌افتد و به مرور زمان نیز کاهش می‌یابد. این مشخصه به صورت drift/√kHr بیان می‌شود. ولتاژ رفرنس‌ها در دماهای بالاتر با سرعت بیشتری پیر میشوند.

هیسترزیس حرارتی - (Thermal Hysteresis)
این پارامتر اغلب نادیده گرفته می‌شود اما می‌تواند منبع غالب خطا باشد. هیسترزیس حرارتی ماهیتی مکانیکی داشته و نتیجه تغییر استرس دای (die) به خاطر چرخه حرارتی می‌باشد. هیسترزیس می تواند به عنوان تغییر ولتاژ خروجی در دمای معین پس از یک چرخه بزرگ دمایی مشاهده شود. این پارامتر مستقل از ضریب دما و دریفت زمانی است ، و اثر بخشی کالیبراسیون ولتاژ اولیه را کاهش می دهد.

مشخصات دیگری که ممکن است بسته به کاربرد مهم باشند عبارتند از:
-) نویز ولتاژ
-) تنظیم بار
-) ولتاژ Dropout
-) محدوده ولتاژ تغذیه
-) محدوده جریان تغذیه

انواع ولتاژ رفرنس
-) دو نوع اصلی ولتاژ رفرنس ها، شنت و سری هستند.

ولتاژ رفرنس های شنت
رفرنس شنت یک قطعه دو پایه است که معمولاً برای کار در طیف مشخصی از جریانها طراحی شده است. گرچه اکثر شنت ها از نوع باند گپ بوده و در ولتاژهای مختلفی قرار می گیرند، اما می توان مانند یک دیود زنر در نظر گرفته و استفاده شوند.

متداول ترین مدار یک پایه رفرنس را به زمین و دیگری را به یک مقاومت وصل می‌کند. پایه دیگر مقاومت به یک ولتاژ تغذیه وصل می‌شود. در اصل این مدار یک مدار سه ترمیناله می‌شود. ترمینال مشترک بین مقاومت و رفرنس به عنوان خروجی در نظر گرفته می‌شود. مقاومت باید به گونه ای انتخاب شود که حداقل و حداکثر جریان عبوری از رفرنس، در محدوده مشخص شده قرار داشته باشد.

این ولتاژ رفرنس‌ها طراحی آسانی دارند ، مشروط بر اینکه ولتاژ منبع تغذیه و جریان بار زیاد تغییر نکنند. اگر ممکن است هر دو تغییر قابل توجهی داشته باشند ، باید مقاومتی را انتخاب کنیم تا این واریانس را در خود جای دهد، که این کار منجر به افزایش تلفات توان خواهد شد. از این رو شبیه یک تقویت کننده کلاس A است.مزیت استفاده از رفرنس‌های شنت، طراحی ساده، اندازه کوچک و پایداری خوب تحت بارهای مختلف است. علاوه بر این ، آنها به راحتی به عنوان ولتاژ رفرنس منفی مورد استفاده قرار می گیرند و می‌توان در ولتاژهای بسیار بالا از آن‌ها استفاده کرد ، زیرا مقاومت خارجی اکثر پتانسیل را نگه می‌دارد.

ولتاژ رفرنس شنت

رفرنس های سری - (Series Reference)
رفرنس های سری قطعاتی سه پایه هستند. این قطعات بسیار شبیه رگولاتورهای LDO هستند و به همین خاطر مزایای مشترک زیادی دارند. مهمتر از همه، ولتاژ رفرنس‌های سری در محدوده وسیعی از ولتاژهای تغذیه تقریبا جریان ثابتی را مصرف می‌کنند و جریان بار را متناسب با بار تامین می‌کنند. این ویژگی سبب شده که برای مدارهایی با تغییرات زیاد در ولتاژ تغذیه یا جریان بار، ایده آل شوند. همچنین بخاطر اینکه مقاومت سری بین رفرنس و منبع تغذیه وجود ندارد، برای استفاده در مداراتی که جریان بار زیادی نیاز دارند بسیار مناسب است.

مدار یک مرجع ولتاژ سری