Porozumění teplotnímu koeficientu reference napětí

Jak ovlivňuje teplota výstup napěťové reference? Co je to teplotní koeficient?

Napěťové reference vytvářejí stabilní napětí, které je ideálně nezávislé na změnách napájecího napětí, teploty, zátěže a dalších vnějších faktorů. Jsou široce používány v převaděčích dat, napájecích zdrojích, měřicích a řídicích systémech. Přesnost těchto systémů může být přímo ovlivněna přesností použité referenční napětí.

Existuje několik specifikací, které nám umožňují charakterizovat různé aspekty přesnosti referenčního napětí. Tento článek pojednává o vlastnosti teplotního koeficientu (tempco), která charakterizuje změny teploty závislé na výstupu reference napětí.

Co je to teplotní koeficient?

Zatímco výstup napěťové reference by měl být v ideálním případě nezávislý na teplotě, skutečná napěťová reference vykazuje na výstupu teplotně závislé variace. Obrázek 1 níže ukazuje výstup LT1021-5. Jmenovité výstupní napětí je 5V, ale jak vidíte, není 100% nezávislé na teplotě.

Obrázek 1. S laskavým svolením analogových zařízení.

Teplotní koeficient (nebo teplotní odchylka) od napěťové reference je charakteristika, která charakterizuje chyby výstupu závislé na teplotě. Běžná metoda (definice) se nazývá „Boxová metoda“ pomocí následující rovnice:

$$ TCV_ {O} = frac {V_ {max} – V_ {min}} {V_ {nominální} (T_ {max} – T_ {min})} krát 10

Tato metoda bere v úvahu chybu v určitém teplotním rozsahu (Tmax – Tmin). V tomto teplotním rozsahu se odečítají maximální a minimální hodnoty výstupu, aby se zjistila maximální změna (Vmax – Vmin) na výstupu. Maximální změna výkonu se dělí teplotním rozsahem vynásobeným jmenovitou hodnotou výkonu (Vnominal).

Výsledek se vynásobí 106 k vyjádření teploty v ppm / ° C (díly na milion / ° C). Obrázek 2 níže ukazuje horní a dolní mez výstupního napětí spolu s teplotními limity pro referenční napětí LT1021-5.

obr

Okraje vytvoří rámeček, kde úhlopříčka rámečku je úměrná tempu uvedenému v předchozí rovnici. Jak vidíte, Vmax a Vmin jsou přibližně 5 001 V, respektive 5 V. Vezmeme-li v úvahu teplotní rozsah od -50 ° C do 125 ° C, dostaneme:

TCV O = frac {5,001 -5} {5 velký (125 – (-50) velký)} krát 106 = 1,14; ppm / cirkulace C $$

Podle strany 3 v datovém listu je typická hodnota pro tempco LT1021-5 2 ppm / ° C. Všimněte si, že Vmax a Vmin nemusí nutně souviset s Tmax a Tmin. Určují pouze maximální a minimální hodnoty výstupního napětí v teplotním rozsahu od Tmin do Tmax.

Driftová křivka: teplotní odchylka a odchylka odchylky

Specifikace Tempco nám nedává tvar variací způsobených teplotou. Zvažte referenční napětí se jmenovitým výstupem 5 V a hodnotou tempco 1,14 ppm / ° C. Viděli jsme, že LT1021-5 vykazuje tyto vlastnosti (obrázek 1); s těmito vlastnostmi si však můžeme představit nespočet referencí napětí. Dva hypotetické příklady jsou znázorněny na obrázcích 3 a 4.

Obrázek 3

Obrázek 4

Jednotka specifikace tempco (ppm / ° C) nás může zmást s mylnou představou, že chyba je lineární, takže pokud zvýšíme teplotu o 1 ° C, výstupní napětí se změní o 1 ppm. Viděli jsme však, že tempco je definováno způsobem, který nám neposkytuje žádné informace o tvaru variací. Poskytuje nám pouze maximální odchylku, kterou můžeme v daném teplotním rozsahu očekávat.

Protože chyba není lineární, někteří výrobci nabízejí tempco zařízení ve více než jednom teplotním rozsahu. Například MAX6025A je specifikován jako zařízení o 20 ppm / ° C v rozsahu -40 ° C až + 85 ° C. Vykazuje však teplotní hodnotu v rozmezí 0 ° C až +70 ° C. 15 ppm / ° C Z tohoto důvodu můžeme v závislosti na rozsahu provozní teploty aplikace považovat MAX6025A za zařízení s rychlostí 20 ppm / ° C nebo 15 ppm / ° C. Specifický teplotní rozsah společnosti Tempco. Tuto chybu můžeme použít pouze k předpovědi v zadaném rozsahu. Výpočet chyby mimo specifikovaný rozsah se nedoporučuje, pokud není dobře pochopeno teplotní chování konkrétního zařízení.

Jak vypočítat teplotní koeficient

Podívejme se, jak můžeme určit požadované tempco pro systém. Jako příklad předpokládejme, že máme 10bitový ADC a pro nastavení hodnoty celého rozsahu ADC se použije referenční napětí. Předpokládejme, že chceme, aby chyba způsobená teplotou byla menší než polovina LSB systému.

Za předpokladu, že jmenovitý výstup napěťové reference má VFSLSB našeho 10bitového systému bude $$ frac {V_ {FS}} {2 ^ {10}} $$. Celková odchylka výstupu referenčního napětí proto musí být menší než $$ frac {V_ {FS}} {2 11}} $$. S teplotním rozsahem -25 ° C až 75 ° C dosahujeme:

$$ TCV_ {O} = frac {frac {V_ {FS}} {2 11}} {V_ {FS} velký (o 75 – (-25) větší)} krát 10 6 = 4,88; ppm / cirkulace C $$

Proto potřebujeme referenční napětí nižší než tempco 4,88 ppm / ° C. Naším jediným cílem pro výše uvedený výpočet bylo splnit jednu podmínku: variace Referenční napětí pod polovinou LSB. Při tempu 4,88 ppm / ° C víme, že celková variace referenčního napětí je méně než poloviční oproti LSB. Co z toho můžeme vyvodit? absolutní referenční hodnota napětí? Můžeme řešit dva extrémní případy:

1. Minimální hodnota referenčního napětí je jeho jmenovitá hodnota (VFS) a maximální hodnota je VFS + 0,5 LSB. V tomto případě je variační vzor podobný tomu, který je znázorněn na obrázku 3.
2. Maximální hodnota referenčního napětí je jeho jmenovitá hodnota (VFS) a minimální hodnota je VFS – 0,5 LSB. Tato situace je podobná situaci zobrazené na obrázku 4.

Jak vidíte, tempco 4,88 ppm / ° C zajišťuje, že rozptyl je menší než polovina LSB (bez ohledu na formu rozptylu). V závislosti na charakteristikách driftu napětí konkrétního zařízení však může být absolutní hodnota někde mezi VFS – 0,5 LSB až VFS + 0,5 LSB. Proto pokud konkrétní aplikace vyžaduje udržování absolutní hodnoty pod polovinou LSB, můžeme zvolit referenční napětí, které udržuje změnu pod LSB. Čím nižší je odchylka, tím dražší je produkt. Proto musíme pečlivě zvážit konstrukční požadavky, abychom zabránili nadměrnému designu.

Všimněte si také, že obrázky 3 a 4 představují hypotetické charakteristiky driftu napětí. Mnoho praktických referencí napětí, zejména ofsetová pásková zařízení, má křivku ve tvaru písmene S (viz obrázek 5).

Obrázek 5 S laskavým svolením analogových zařízení.

Vlastní ohřev referenční hodnoty napětí

Teplotní rozsah používaný k označení teploty zařízení se vztahuje k teplotě formy. Výkon rozptýlený v zařízení může způsobit rozdíl mezi teplotou formy a teplotou okolí. V tomto případě musíme odhadnout teplotu formy a vypočítat chybu odchylky podle teplotního rozsahu formy. Další informace najdete v této poznámce k aplikaci Maxim.

Recenze základů tempco z reference napětí

Je široce používán v napěťových referencích, převaděčích dat, napájecích zdrojích, měřicích a řídicích systémech. Teplotní koeficient (tempco) napěťové reference nám umožňuje charakterizovat chyby závislé na teplotě na referenčním výstupu.

Běžnou metodou (definicí) pro výpočet teplotního koeficientu je „Boxova metoda“. Je důležité si uvědomit, že specifikace Tempco nám neposkytuje žádné informace o tvaru odchylek způsobených teplotou. Umožňuje nám pouze vypočítat maximální chybu, která může nastat v daném teplotním rozsahu.