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Aktive Bauelemente
Bild 2: Typische Auslegung des Bausteins ISL21010 und vergleichbarer
Referenzen. Sie erzeugen den Referenzpegel für den ADC. Der ISL28134, ein
sehr rauscharmer chopper-stabilisierter Verstärker, liefert die Eingangsspannung.
Bilder: Intersil
Bild 1: Blockschaltbild einer Mobilfunk-Basisstation. Spannungsreferenzen
sind dabei Komponenten von vitaler Bedeutung für zuverlässige Spannungspegel,
sowohl im ADC, wie im DAC.
Bild 3: Links die Ausgangsspannung des Bausteins ISL21010, mit Fokus auf
das niederfrequente Rauschen. Rechts das niederfrequente Rauschen des
ISL21009.
Schaltungsprinzip, das auf den grundlegenden Eigenschaften bipolarer
Transistoren basiert. Dazu zählt, dass die Spannung am p-n-
Übergang eines bipolaren Transistors fällt, wenn dessen Temperatur
steigt. Die Bandgap-Schaltung nutzt diese Charakteristik, um
einen Strom so zu skalieren, dass er umgekehrt proportional zur
Temperatur verläuft. Daraus lässt sich ein Signal ableiten, das proportional
zur Temperatur verläuft.
Bandgap-Referenz
Diese beiden gegenläufigen Signale lassen sich funktional kombinieren,
um die Effekte des Temperaturgangs zu kompensieren. In
den späten 60er Jahren war das eine bedeutende Entdeckung, die
in den frühen 70ern weithin in die Schaltungstechnik Eingang gefunden
hat. Die Bezeichnung Bandgap stammt aus der Tatsache,
dass die typische Ausgangsspannung von 1,25 V nahe der Bandgap-Spannung
von Silizium (1,22 V) liegt. Da die Bandgap-Schaltung
auf einem p-n-Übergang basiert, könnte man annehmen,
dass die damit gebauten Spannungsreferenzen bipolare Prozesse
erfordern. Das ist aber nicht der Fall. Auch CMOS-Prozesse haben
parasitische bipolare Transistoren, die, obwohl von geringerer
Qualität, durchaus für die in einer Bandgap-Schaltung benötigten
Signale herangezogen werden können.
CMOS-Floating-Gate-Referenz
Zur Konfiguration einer Spannungsreferenz in CMOS-Technologie
gibt es mehr als eine brauchbare Methode. Wird kein parasitischer
bipolarer Bandgap genutzt, besteht eine Alternative im Einsatz
einer Schaltung namens FGA (floating gate array). Dieser Typ
von Spannungsreferenz heißt dementsprechend Floating Gate Array-Referenz.
Er nutzt das undefinierte Floating Gate eines CMOS-
Transistors. Der Ladungsvorgang zieht eine gewisse Menge von
Elektronen zum Floating Gate. Die Menge der am Gate gesammelten
Elektronen ist proportional zur Größe des Signalflusses vom
Drain zur Source. Diese Verknüpfung ermöglicht eine vom Anwender
programmierbare Referenzspannung. Oder der Hersteller
stellt die vom Anwender benötigte Spannung fest ein. Der Wert
dieser Spannung ist außerordentlich stabil, denn die Elektronen
am Floating Gate sind im dielektrischen Material gefangen, ähnlich
wie in einem Glaskörper.
Vergleich der Eigenschaften von FGA und Bandgap
Wie vergleicht sich die FGA-Referenz zum Bandgap Jedes Schaltungsdesign
hat seine spezifischen Trade-offs. Einer der wichtigsten
Parameter in diesem Zusammenhang ist der Leistungsverbrauch.
Jede Schaltung, die mehr Leistung verbraucht, kann damit
ihre Performance steigern. Deshalb kommen für den folgenden
Vergleich zwei Komponenten mit ähnlich hohem Versorgungsstrom
zum Einsatz (innerhalb eines Faktors von Drei). Die beiden
Bausteine sind der ISL21009, einer von Intersils FGA-Komponenten,
und der ISL21010, einer von Intersils bipolaren Referenzbausteinen
(Bild 2). Tabelle 1 vergleicht ihre Performance.
Auf den ersten Blick sind beide Referenzen beinahe gleichwertig.
Die Ausgangsspannung beträgt 2,5 V, wobei die Anfangsgenauigkeit
der bipolaren Referenz etwas besser ist. Andererseits akzeptiert
die FGA-Schaltung einen wesentlich breiteren Bereich von
Versorgungsspannungen. Ausgangsspannung und Versorgungsbereich
sind Spezifikationen, die vom System vorgegeben sind. Die
weiteren Spezifikationen geben Aufschluss über die natürlichen
Stärken und Schwächen der bipolaren Bandgap- gegenüber der
CMOS FGA-Spannungsreferenz.
Ganz weit oben in der Vergleichsliste der Daten steht der Temperaturkoeffizient.
Er zeigt an, wie die Ausgangsspannung der Referenz
in Bezug auf die Temperatur variiert. Resultat: Die FGA-
Referenz ist um den Faktor Fünf besser als die bipolare. Das macht
Sinn, wenn man die Schaltungsstrukturen betrachtet. Das FGA-
Prinzip hat eine am Floating Gate isolierte Ladung. Beim Bandgap-
Prinzip kompensieren sich die Effekte beider, am p-n-Übergang
generierten Signale mit ihren bekannten Temperaturgängen. Diese
24 elektronik industrie 05/2012
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