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¿Cómo afecta la temperatura a la salida de una referencia de voltaje? ¿Qué es una especificación de coeficiente de temperatura?

Las referencias de voltaje producen un voltaje estable que es idealmente independiente de los cambios en el voltaje de suministro, la temperatura, la carga y otros factores externos. Son ampliamente utilizados en convertidores de datos, fuentes de alimentación, sistemas de medición y control. La precisión de dichos sistemas puede verse afectada directamente por la precisión de la referencia de voltaje empleada.

Existen varias especificaciones que nos permiten caracterizar los diversos aspectos de una precisión de referencia de voltaje. Este artículo analiza la especificación del coeficiente de temperatura (tempco) que caracteriza las variaciones inducidas por la temperatura en la salida de una referencia de voltaje.

¿Qué es una especificación de coeficiente de temperatura?

Mientras que la salida de una referencia de voltaje debería ser idealmente independiente de la temperatura, una referencia de voltaje real exhibe variaciones inducidas por la temperatura en la salida. La figura 1 a continuación muestra la salida de LT1021-5. La tensión de salida nominal es de 5 V pero, como puede ver, no es 100% independiente de la temperatura.

Figura 1. Imagen cortesía de Analog Devices.

El coeficiente de temperatura (o desviación de la temperatura) de una referencia de voltaje es la especificación que caracteriza los errores inducidos por la temperatura de la salida. El método común (definición) se llama "Método de caja" que utiliza la siguiente ecuación:

$$ TCV_ {O} = frac {V_ {max} – V_ {min}} {V_ {nominal} (T_ {max} – T_ {min})} veces 10 ^ {6} $$

Este método considera el error en un rango de temperatura especificado (T_max – T_min). En este rango de temperatura, el máximo y el mínimo de la salida se restan para encontrar la variación máxima en la salida (V_max – V_min). La variación de salida máxima se divide por el rango de temperatura multiplicado por el valor de salida nominal (V_nominal).

El resultado se multiplica por 106 para especificar el tempco en ppm / ° C (parte por millón / ° C). La Figura 2 a continuación muestra los límites superior e inferior de la tensión de salida junto con los límites de temperatura para la referencia de tensión LT1021-5.

Figura 2

Los límites forman un cuadro donde la diagonal del cuadro es proporcional al tempco dado por la ecuación anterior. Como puedes ver, V_max y V_min Son aproximadamente 5.001 V y 5 V, respectivamente. Teniendo en cuenta el rango de temperatura de -50 ° C a 125 ° C, obtenemos:

$$ TCV_ {O} = frac {5.001 -5} {5 big (125 – (-50) big)} times 10 ^ {6} = 1.14 ; ppm / ^ { circ} C $$

De acuerdo con la página 3 de la hoja de datos, el valor típico para el tempco LT1021-5 es 2 ppm / ° C. Tenga en cuenta que V_max y V_min No están necesariamente relacionados con T_max y T_min. Solo determinan los valores máximo y mínimo de la tensión de salida en el rango de temperatura desde T_min a T_max.

La curva de deriva: desviación de temperatura y error de desviación

La especificación de tempco no nos da la forma de las variaciones inducidas por la temperatura. Considere una referencia de voltaje que tenga una salida nominal de 5 V y un tempco de 1.14 ppm / ° C. Vimos que el LT1021-5 exhibe estas especificaciones (Figura 1); sin embargo, podemos imaginar innumerables referencias de voltaje con estas especificaciones. En la Figura 3 y 4 se muestran dos ejemplos hipotéticos.

figura 3

Figura 4

La unidad de la especificación de tempco (ppm / ° C) puede confundirnos con la idea errónea de que el error es lineal, lo que significa que si aumentamos la temperatura en 1 ° C, la tensión de salida cambiará en 1 ppm. Sin embargo, vimos que el tempco se define de una manera que no nos da ninguna información sobre la forma de las variaciones. Solo nos da la variación máxima que podemos esperar en un rango de temperatura específico.

Como el error no es lineal, algunos fabricantes ofrecen el tempco de un dispositivo en más de un rango de temperatura. Por ejemplo, el MAX6025A se especifica como un dispositivo de 20 ppm / ° C en el rango de -40 ° C a + 85 ° C. Sin embargo, en el rango de 0 ° C a + 70 ° C, exhibe un tempco de 15 ppm / ° C. Por lo tanto, dependiendo del rango de temperatura de operación de una aplicación, podemos considerar el MAX6025A como un dispositivo de 20 ppm / ° C o 15 ppm / ° C. Tenga en cuenta que el tempco se da en un rango de temperatura especificado. Podemos usarlo para estimar el error solo en el rango especificado. No se recomienda calcular el error fuera del rango especificado a menos que se comprenda bien el comportamiento de la temperatura de un dispositivo determinado.

Cómo calcular el coeficiente de temperatura

Veamos cómo podemos determinar el tempco requerido para un sistema. Como ejemplo, supongamos que tenemos un ADC de 10 bits y la referencia de voltaje se usa para establecer el valor de escala completa del ADC. Supongamos que queremos que el error inducido por la temperatura sea menos de la mitad del LSB del sistema.

Si asumimos que la salida nominal de la referencia de tensión es V_FS, el LSB de nuestro sistema de 10 bits será $$ frac {V_ {FS}} {2 ^ {10}} $$. Por lo tanto, la variación total de la salida de referencia de voltaje debe ser menor que $$ frac {V_ {FS}} {2 ^ {11}} $$. Con un rango de temperatura de -25 ° C a 75 ° C, obtenemos:

$$ TCV_ {O} = frac { frac {V_ {FS}} {2 ^ {11}}} {V_ {FS} big (75 – (-25) big)} times 10 ^ {6 } = 4,88 ; ppm / ^ { circ} C $$

Por lo tanto, necesitamos una referencia de voltaje con tempco inferior a 4.88 ppm / ° C. Para el cálculo anterior, nuestro único objetivo era satisfacer una condición: mantener el total variación de la tensión de referencia por debajo de la mitad LSB. Con un tempco de 4.88 ppm / ° C, sabemos que la variación total del voltaje de referencia es menor que la mitad de LSB. ¿Qué podemos concluir acerca de la absoluto valor de la tensión de referencia? Podemos considerar dos casos extremos:

1. El valor mínimo de la tensión de referencia es su valor nominal (V_FS) y su valor máximo es V_FS + 0.5 LSB. En este caso, la forma de variación es similar a la que se muestra en la Figura 3.
2. El valor máximo de la tensión de referencia es su valor nominal (V_FS) y su valor mínimo es V_FS – 0.5 LSB. Este caso es similar al que se muestra en la Figura 4.

Como puede ver, un tempco de 4.88 ppm / ° C garantiza que la variación es inferior a la mitad de LSB (independientemente de la forma de las variaciones). Sin embargo, dependiendo de las características de deriva de voltaje de un dispositivo dado, el valor absoluto puede estar en algún lugar entre V_FS – 0.5 LSB a V_FS + 0.5 LSB. Por lo tanto, si una aplicación particular exige mantener el valor absoluto por debajo de la mitad de LSB, simplemente podemos elegir una referencia de voltaje que mantenga la variación por debajo de ¼ de LSB. Cuanto más baja sea la deriva, más costoso será el producto. Por lo tanto, debemos considerar los requisitos de diseño con cuidado para evitar el exceso de diseño.

Además, tenga en cuenta que las Figuras 3 y 4 representan características hipotéticas de deriva de voltaje. Muchas referencias prácticas de voltaje, especialmente los dispositivos de banda compensada, tienen una curva en forma de S (Ver Figura 5).

Figura 5 Imagen cortesía de Analog Devices.

Autocalentamiento de una referencia de voltaje

El rango de temperatura utilizado para especificar la temperatura de un dispositivo se refiere a la temperatura del troquel. La potencia disipada en un dispositivo puede llevar a una diferencia entre la temperatura del troquel y la temperatura ambiente. En este caso, deberíamos estimar la temperatura del troquel y calcular el error de deriva en función del rango de temperatura del troquel. Para obtener más información, consulte esta nota de aplicación de Maxim.

Revisión de los fundamentos del tempco de una referencia de voltaje

Las referencias de voltaje son ampliamente utilizadas en convertidores de datos, fuentes de alimentación, sistemas de medición y control. El coeficiente de temperatura (tempco) de una referencia de voltaje nos permite caracterizar los errores inducidos por la temperatura en la salida de referencia.

El método común (definición) para calcular el coeficiente de temperatura es el "Método de caja". Es importante tener en cuenta que la especificación de tempco no nos proporciona ninguna información sobre la forma de las variaciones inducidas por la temperatura. Solo nos permite calcular el error máximo que puede ocurrir en un rango de temperatura específico.