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Aktive Bauelemente
Fähigkeit zur gegenseitigen Auslöschung könnte ihre eigene charakteristische
Performance über der Temperatur aufweisen.
Als nächstes betrachten gilt es, das typische Rauschen im Ausgang
zu beachten. Dieses liegt beim FGA-Prinzip um das Siebenfache
niedriger als beim Bandgap-Prinzip. Nochmals: Die Steuersignale
sind beim CMOS-Prozess statisch isoliert, anstatt durch die
Transistoren zu fließen wie beim bipolaren Gegenstück. Das ergibt
ein typisches Ausgangsrauschen von 4,5 µVpp beim ISL29009 statt
der immer noch respektablen 37 µVpp beim ISL29010. Der gleiche
Trend ist evident beim niederfrequenten Rauschen. Als niederfrequentes
Rauschen gilt das zwischen 0,1 und 10 Hz gemessene Rauschen.
Beispiele dafür zeigt Bild 3. Während die Kurven ähnliche
Signalverläufe abbilden, ist zu beachten, dass das Ausgangsrauschen
der FGA-Referenz (ISL21009) um den Faktor 1000 vergrößert
dargestellt ist.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Langzeitdrift
Ein weiterer zu beachtender Parameter ist die Langzeitdrift. Niemand
möchte, dass die eben entworfene Referenz bei der Alterung
eine schwache Performance an den Tag legt. Diese Drift sollte also
so klein wie möglich sein, um mögliche Änderungen zu minimieren.
Auch hier gilt: Die FGA-Referenz ist dem Bandgap um den
Faktor Zwei überlegen – mit einem gemessenen Wert von 50 ppm
versus 110 ppm.
Baustein FGA Bandgap
(ISL21009)
(ISL21010)
Uout (V) 2,5 2,5
Anfangsgenauigkeit (mV) 0,5 0,2
Temperaturkoeffizient (ppm/°C) 3 15
Isupply (uA) 180 80
Usupply, Bereich (V) 3,5 ... 16,5 2,6 ... 5,5
Typisches Ausgangsrauschen (µVpp) 4,5 37
Stabilität der Langzeitdrift (ppm) 50 110
Niederfrequentes Rauschen (µVpp) 4,5 67
Tabelle 1: Spezifikationen der beiden im Beitrag verglichenen Schaltungen:
Die FGA-Variante (ISL21009) und die bipolare Lösung (ISL21010).
Viele der Vorteile der FGA-Referenz stammen aus der Struktur
der Schaltung – dem Floating Gate. Natürlich hat jede neue Lösung
ihre Vor- und Nachteile. Ein interessanter Nachteil der FGA-Topologie
ist ihre Empfindlichkeit gegen wiederholte Bestrahlung mit
Röntgenlicht. Röntgenstrahlung kann genügend Energie bereitstellen,
um die am Floating Gate gefangenen Elektronen aus ihrem
Glaskäfig zu befreien. Natürlich braucht es eine gewisse Dosis von
Röntgenenergie, um eine merkliche Zahl von Elektronen freizusetzen
und damit die Spannung am Gate zu verringern. Als Größenordnung:
Man müsste eine nicht abgeschirmte Schaltung an die 50
Mal durch eine X-Ray-Sicherheitsschleuse am Flughafen tragen,
um diesen Effekt zu erzielen. In vielen Fällen sind die Spannungsreferenzen
zusammen mit vielen anderen Schaltungen auf der Unterseite
einer Leiterplatte montiert. Dabei kann das Gehäuse als
Abschirmung der FGA-Referenz fungieren.
In gewisser Weise ist die Auswahl der Beispielschaltungen irreführend.
Bipolare Prozesse tendieren dazu, größere Versorgungsspannungen
zu verarbeiten als ihr CMOS-Gegenstück. Bipolare
Schaltungen können so ausgelegt werden, dass sie geringeres Rauschen
und höhere Genauigkeit erzielen, wenn man einige Tradeoffs,
wie den geringfügig höheren Leistungsverbrauch, vernachlässigt.
Und für FGA-Schaltungen gilt: Ihr Versorgungsstrom ist meist
so gering, dass sie sich für batterieversorgte Systeme und für Energy-Harvesting
eignen. Dank der dielektrische Isolation des Gates
wird die Spannung über etwa 100 Jahre zuverlässig gehalten.
Beide sind gut, CMOS führt
Als Konsequenz gilt, dass beide Topologien hoch qualitative Spannungsreferenzen
darstellen. Somit stellen die vom System und vom
Kostenbudget gegebenen Anforderungen die stärkeren Entscheidungskriterien
dar. Die FGA-Topologie belegt, dass CMOS das
Schwergewicht beim Wettstreit der Referenzen ist, während Bandgap
als solider Herausforderer gilt. Die Entwickler der bipolaren
Technologie haben mittlerweile ihre Referenzen immer weiter verbessert.
Mit kontinuierlich steigender Performance entstehen ständig
neue Schaltungen zur Spannungsreferenz. (ah) n
Die Autorin: Tamara Schmitz ist Senior Principal Applications Engineer bei
Intersil in Milpitas, Kalifornien.
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