V první části našeho malého úvodu byly vedle jednotek ppm nebo drift / √(kHr) definovány i základní vlastnosti a parametry napěťové reference v podobě
- 1) Výchozí, někdy také počáteční přesnosti (Initial Accuracy)
- 2) Teplotního driftu (Temperature Drift)
- 3) Dlouhodobé stability (Long Term Stability)
- 4) Teplotní hystereze (Thermal Hysteresis)
Následující pokračování pak na základě konkrétních příkladů stanovilo rozdíly dvou základních typů, tj.
- 1) Paralelní (bočníkové) reference (Shunt Reference)
- 2) Sériové reference (Series Reference)
Třetí díl nás zase provedl polovodičovou výbavou samotného čipu. Zmínili jsme zde
- 1) Zenerovu referenci (Zener – Based Reference, Buried Zener („pohřbená zenerka“))
- 2) Referenci typu bandgap (Bandgap Reference) a konečně také
- 3) Dílčí bandgap referenci (Fractional Bandgap Reference)
V dosud posledním, tj. čtvrtém pokračování, jsme naznačili, jak si „vybrat tu pravou“ tak, abychom s ní byli spokojeni. Článek byl veden formou 24 otázek a také 24 bezprostředních odpovědí.
Dnes zaměříme svou pozornost na některá úskalí, která nás mohou při práci s referenčním napětím potkat. Jedná se o
- 1) Potíže s hladovou zátěží (Current-Hungry Loads)
- 2) Vývody které nikdo nechce (“NC” Pins)
- 3) Úklid před (i pod) vlastním čipem (Board Leakage)
- 4) Trimování bez přidaného teplotního driftu (Trim-Induced Temperature Drift)
- 5) Zahoření, které nemusí vždy znamenat zahoření jasným plamenem (Burn – In)
Léčka zvaná napěťová reference
Referenční obvody na první pohled rády budí klamný dojem jednoduchého použití. Skutečnost však může být úplně jiná – platí totiž, že stejně jako v případě kteréhokoli jiného precizního obvodu nemusí být ani zde jednoduché dosáhnout zaručovaných parametrů. Následující řádky proto zaměříme na několik běžných problémů, které doplníme ověřenými způsoby řešení.
1) Potíže s hladovou zátěží (Current-Hungry Loads)
Většina referencí se navrhuje s ohledem na maximální zatěžovací (nebo příčné) proudy o velikosti 10 až 20 mA. A přesto, nejlepších výsledků při plném, byť dovoleném zatížení, dosáhnout rozhodně nelze. Na krátkodobou stabilitu výstupního napětí útočí celá řada vlivů, včetně teplotních gradientů napříč daným čipem a také termočlánků, které vzniknou mezi vývody součástky a vnějšími spoji. Pro tyto účely se proto vyplatí přidat externí tranzistor (viz obrázek), kterým odvedeme větší zatěžovací proudy a odlehčíme tak samotné referenci. Pro zatěžovací proudy nad 300 μA již bude prakticky celé výkonové zatížení ležet na připojeném tranzistoru, čímž účinně potlačíme vliv nepříjemných, krátkodobých teplotních driftů. Struktura odvede dobré služby i v případě požadavku na proudy, překračující svou velikostí 20 mA. Problémem není ani 100 mA, vše závisí na dostupné betě a také přípustných výkonových ztrátách (dissipation – ztráty rozptylem, jinak také zpustlý život, hýření či nemírné pití).
Vnější tranzistor prokáže dobré služby při zvyšování výstupní zatížitelnosti referenčního prvku, stejně jako během prostého odvedení zatěžovacího proudu, který by ještě reference zvládla. Tento trik funguje na všech 3vývodových referencích.
2) Vývody které nikdo nechce (“NC” Pins)
Otázka na správném místě:
Jestliže referenci stačí jen dva nebo tři vývody, proč se vyrábí v 8pinovém provedení?!
Existuje pro to několik důvodů a my zde zmíníme jeden z nich: Doladění parametrů (trimování) po finálním zapouzdření. Aby výrobce zajistil minimální výstupní tolerance, bude pravděpodobně nezbytné továrně doladit parametry i poté, co již byl čip jednou zapouzdřen. Jakmile totiž dojde k zapouzdření, ztrácíme cennou možnost přímého přístupu k samotnému čipu a elegantní cestou, jak z toho ven, je zapojit do akce další, jinak nevyužité piny.
Jestliže pro některé integrované obvody piny „NC“ znamenají
- „toto je plovoucí vývod, zapojte si ho jak se vám zlíbí“,
budeme v případě našich referencí raději říkat
- „opovažte se tu cokoli připojovat!“
Můžeme totiž nepříznivě ovlivnit ESD parametry, velikosti unikajících proudů nebo samotnou funkci prvku. V nejlepším případě si neautorizovanými vnějšími spoji způsobíme jen určitý posun výstupního referenčního napětí. Nejhorší scénáře pak počítají i s trvalým „úletem“ výstupního napětí mimo definované rozmezí. Podobné varování platí také pro referenční struktury s nastavitelnými výstupy a jejich piny, označené jako TRIM (samotné otázce trimování referencí se na stránkách hw.cz věnujeme v samostatném článku s názvem Kompenzace chyby zesílení v systémech s datovými převodníky). Protože bývá trimovací pin svázán se součtovým uzlem zesilovače, nesluší se mu vnucovat jakékoli proudy, samozřejmě, pokud právě sami nepotřebujeme trimovat výstup. Minimálně se tak vyhneme unikajícím proudům i kapacitním vazbám na nejrůznější zdroje šumu.
3) Nejdříve si ukliďte před (i pod) vlastním čipem (Board Leakage)
Do oblasti napěťových referencí začal vstupovat nový přízrak v podobě rozptylu výstupních parametrů unikajícími proudy (Board Leakage), způsobenými zbytky vodou ředitelných tavidel na osazené desce plošného spoje. Účinek se přitom příliš neliší od důsledků, způsobených lepkavou tekutinou, vytékající z prasklých elektrolytických kondenzátorů. Proudové úniky ze zemních, napájecích nebo dalších obvodových potenciálů do nezapojených vývodů (NC), trimovacích pinů či jiných citlivých zakončení mohou v důsledku vodivých zbytků tavidel způsobit napěťové posuny na výstupních svorkách. Někdo však může namítnout, že jeho nečistoty použitou referenci z míry nevyvedou a mimo definované toleranční rozsahy se tak jako tak přece nepohybuje. Takové tvrzení však těžce opomíjí vliv dlouhodobého driftu výstupního napětí, do kterého s radostí promluví zmíněné zbytky po pájení i jejich odpor, ovlivněný změnami relativní vlhkosti i pronikáním dalších, vnějších nečistot do již přítomného znečištění. Je proto nezbytné odstranit zbytky tavidel z desky plošného spoje i samotných pouzder, příp. jejich výskytu zcela zabránit. Že se nejedná jen o jakousi nafouknutou bublinu dokládá i konkrétní případ, ve kterém vývojář pozoroval „samovolnou“ změnu výstupních parametrů obvodu LT1009 až za hranice, definované výrobcem v datasheetu. Jak se nakonec ukázalo, příčinou byla nechutná, asi 80 kΩ trasa, složená z vodou ředitelného tavidla, uzavírající se mezi trimovacím pinem a sousedním rozvodem napájecího napětí.
Proudové úniky na desce plošného spoje mohou ve spojení s precizní referencí dokonat celé dílo zkázy. V tomto konkrétním příkladu katapultovala 147 MΩ úniková cesta k 24 V napájení 5 V výstup až za jeho přípustnou toleranci.
Na obrázku je jasně vidět, jak může i jinak solidní reference zvlčet díky velmi malým unikajícím proudům. Pomyslná deska průmyslové řídicí aplikace obsahuje obvod LT1027A, poklidně si vyrábějící 5 V napětí pro nejrůznější obvody, potřebné při sběru dat. A to již na scénu přichází sousední 24 V rozvod, který necháme pomocí 147 MΩ odporu lehkomyslně navázat přímo do pinu, určeného pro filtraci šumu (Noise Filtering Pin, NR). A můžeme se začít divit: Obratem došlo k typickému posunu o +200 ppm, tj. někde úplně mimo. Pochopitelně, žádný soudný člověk ve střízlivém stavu nepovede 24 V sběrnici okolo 0.02 % reference. Tímto modelovým příkladem chceme pouze zdůraznit drtivý dopad celého případného neštěstí.
Přidáním ochranného kroužku zabráníme bludným proudovým trasám v páchání škod
Ale aby to zase nebylo tak jednoduché, mnohdy toho na výběr moc nemáme a musíme se tak elegantně vypořádat s blízkostí jinak vzájemně těžce nekompatibilních tras elektrického proudu. Jednou z možností je nasazení ochranného kroužku (Guard Ring), kterým jednoduše potlačujeme posun referenčního napětí. Výstup napěťové reference je snížen odporovým děličem na 4.4 V, což odpovídá potenciálu pinu NR, a použit k předepnutí ochranného kroužku, obklopujícího cestu, spojující vývod NR s jeho filtrační kapacitou. Tímto způsobem odklonu „potulných úniků“ mimo chráněná místa snížíme vliv nežádoucích proudů na desce plošného spoje o více než dva řády jejich amplitudy, což rozhodně není k zahození.
4) Trimujeme bez přidaného teplotního driftu (Trim-Induced Temperature Drift)
Přibližně polovina referencí Linear Technology umožňuje vnější (uživatelské) trimování pomocí speciálního pinu. Ikdyž může být tento postup při systémové kalibraci užitečný, lze zároveň očekávat nežádoucí ovlivnění teplotního koeficientu referenčního prvku. Tak například bandgap reference LT1019 a její vnější rezistory určené pro trimování, které nebudou odpovídat teplotním koeficientům rezistorů, vestavěných přímo na čipu. Toto nevhodné spojení pak v nejhorším případě vede k určitému posunu teplotního koeficientu výstupního napětí o velikosti 1 ppm/°C, tak jak je to vysvětleno v datasheetu.
Postup při výrobě teplotně necitlivého výstupního trimu obvodů LT1021 nebo LT1236 přidáním diody a rezistoru
Použijeme – li např. napěťové reference LT1021-5 či LT1236-5, můžeme jejich standardní trimovací strukturu upravit způsobem, zachyceným na obrázku a zabránit tak narušení přirozeně malých teplotních závislostí. Trimování obvodu LT1027 má zase jen malý vliv na teplotní koeficient výstupního napětí a nevyžaduje ani žádné speciální ohledy. Chce to jen pokaždé nahlédnout do datasheetu a vyhladat doporučení výrobce.
5) Zahoření nemusí vždy znamenat zahoření jasným plamenem (Burn – In)
Většina výrobců precizních systémů nechává své produkty tzv. zahořet. Zabíjí tak dvě mouchy jednou tepelnou ranou: Prvně odlehčí namáhání, vpravenému během montáže čipu na plošný spoj a hned poté nechají referenci uměle „zestárnout“ až za nejvyšší výkyvy dlouhodobého driftu, vyskytující se již při prvním připojení součástky pod napájecí napětí. Typická zahořovací procedura trvá 168 hodin při okolní teplotě 125° C. Je – li však hlavním záměrem jen úleva od mechanického pnutí, postačí i kratší cyklus bez připojeného napájení.
Závěr:
V pátém pokračování jsme zmínili některá úskalí, která nás mohou při práci s referenčním napětím potkat. Jednalo se o
- 1) Potíže s hladovou zátěží (Current-Hungry Loads)
- 2) Vývody které nikdo nechce (“NC” Pins)
- 3) Úklid před (i pod) vlastním čipem (Board Leakage)
- 4) Trimování bez přidaného teplotního driftu (Trim-Induced Temperature Drift)
- 5) Zahoření, které nemusí vždy znamenat zahoření jasným plamenem (Burn – In)
Ve výčtu nástrah i jejich řešení budeme pokračovat příště.
Použitá literatura:
Download a odkazy:
- Domovská stránka Linear Technology: http://www.linear.com/
