Per misurare la tensione nei circuiti analogici e a segnale misto il parametro che viene utilizzato è la tensione di riferimento rispetto allo standard. Questo parametro è molto importante perché l'imprecisione e la variazione da esso influisce direttamente sulla accuratezza dell'intero sistema. Di seguito i si prendono in esame il ruolo dei dati di precisione e altri criteri nella scelta della tensione di riferimento.
• Precisione iniziale: rappresenta la tolleranza della tensione d'uscita misurata a una data temperatura (di solito 25°C). La tensione iniziale può variare a seconda dell'unità, ma può essere facilmente calibrata se è costante.
• Deriva termica: probabilmente è il metodo più utilizzato per valutare le prestazioni di riferimento di tensione in quanto indica le variazioni della tensione d'uscita al variare della temperatura. Questa deriva è causata da imperfezioni e dalla non linearità degli elementi del circuito. In molti dispositivi la deriva termica, espressa in ppm/°C, è la causa di errore principale. Nei dispositivi che presentano una deriva consistente è possibile effettuare la calibrazione.
È errore comune considerare la deriva termica come qualcosa di lineare, ma non si deve supporre che il valore di deriva di un riferimento sia inferiore in un range di temperature più limitato. In genere il coefficiente di temperatura (CT) è specificato con il “box method” per determinare l'errore probabile sull'intero range di temperature d'esercizio e viene calcolato dividendo la differenza di tensione min-max su tutto il range di temperature per il range di temperature totale. Questi valori di tensione min e max possono non presentarsi in corrispondenza degli estremi termici, generando regioni in cui il CT è notevolmente maggiore della media calcolata per l'intero range di temperature. Questo vale soprattutto per i riferimenti regolati con la massima attenzione, spesso caratterizzati da una deriva termica molto bassa, in cui i componenti di deriva lineare sono stati compensati lasciando un CT non lineare residuo.
Il modo migliore per utilizzare il dato relativo alla deriva termica è calcolare l'errore totale massimo nel range di temperature specificato. È generalmente sconsigliabile calcolare gli errori in range di temperature non specificati, a meno che non si conoscano precisamente le caratteristiche della deriva.
• Stabilità a lungo termine: è la misura della tendenza di una tensione di riferimento alla variazione nel tempo, indipendentemente da altre variabili. Le variazioni iniziali sono in gran parte causate da cambiamenti nello stress meccanico, dalla differenza nei rapporti di espansione del lead frame, del die e dell'involucro. Questo effetto di stress tende ad avere una variazione iniziale elevata che diminuisce velocemente col tempo. La deriva iniziale comprende anche cambiamenti nelle caratteristiche elettriche degli elementi del circuito, inclusa l'impostazione delle caratteristiche del dispositivo a livello atomico. Le variazioni a lungo termine sono causate da cambiamenti elettrici negli elementi del circuito, spesso definiti “invecchiamento”. Questa deriva tende a verificarsi a un ritmo ridotto rispetto a quella iniziale e diminuisce col tempo e pertanto viene spesso definita deriva/√khr. I riferimenti di tensione tendono a invecchiare più velocemente ad alte temperature.
• Isteresi termica: spesso questo dato viene trascurato, ma può costituire la causa principale di errore. È un dato di natura meccanica ed è il risultato della sollecitazione sul die variabile dovuta ai cicli termici. L'isteresi si evidenzia come una variazione della tensione d'uscita a una data temperatura dopo un lungo ciclo termico. È indipendente dal coefficiente di temperatura e dalla deriva temporale riducendo l'efficacia della calibrazione della tensione iniziale. La maggior parte dei riferimenti tende a variare intorno a una tensione di uscita nominale durante cicli termici successivi, per cui l'isteresi termica è di solito limitata a un valore massimo prevedibile. Ogni produttore ha un proprio metodo per specificare questo parametro, per cui può risultare fuorviante mettere a confronto dei valori tipici. I dati di distribuzione, come quelli forniti nelle schede tecniche dell'LT6654 e dell'LT6656, sono molto più utili per valutare un errore nella tensione d'uscita. Di recente è comparsa sul mercato una nuova classe di riferimenti di tensione. Questi prodotti, alloggiati in un package ermetico a montaggio superficiale, hanno una stabilità a lungo termine e prestazioni di isteresi termica notevolmente migliori rispetto agli stessi prodotti alloggiati nei tradizionali package di plastica SOT-23 e MSOP.
Tipi di riferimento
La maggior parte dei riferimenti di tensione è in serie o in derivazione. I riferimenti in serie sono dispositivi a tre (o più) terminali simili ai regolatori Ldo (Low dropout) che condividono molti dei vantaggi da questi offerti. Consumano una quantità relativamente fissa di corrente in un ampio range di alimentazione e conducono la corrente di carico solo dove occorre. Sono adatti per circuiti caratterizzati da notevoli variazioni di tensione di alimentazione o della corrente di carico. Tra i dispositivi in serie prodotti da Linear Technology figurano l'LT6654, l'LTC6655 e l'LT6656. Il riferimento in derivazione ha due terminali e solitamente è adatto per operare in un range di corrente specifico. Il circuito più comune collega un terminale alla terra e l'altro a un resistore, mentre l'altro terminale del resistore viene collegato a un alimentatore. In questo modo si ottiene un circuito a tre terminali. Il terminale del riferimento/resistore condiviso è l'uscita. Con il resistore scelto la corrente minima e massima, devono rientrare nel range specificato nell'intero range di tensioni di alimentazione e correnti di carico. Se la tensione di alimentazione o la corrente di carico sono soggette a notevoli variazioni, si deve optare per un resistore in grado di regolare tale variazione, spesso costringendo il circuito a dissipare una potenza maggiore di quella utile nel caso nominale. Tra i vantaggi offerti dai riferimenti in derivazione figurano un progetto semplice, package compatti e una buona stabilità in un'ampia gamma di correnti e di carichi. Inoltre vengono facilmente progettati come riferimenti di tensione negativi e possono essere usati con tensioni di alimentazione molto elevate, perché il resistore esterno trattiene gran parte del potenziale, o con alimentazioni molto basse perché l'uscita può essere inferiore di pochi millivolt rispetto all'alimentazione. Alcuni esempi sono l'LT1004, LT1009, LM399 e LTZ1000. I prodotti come l'LT1021 e l'LT1019 possono operare come riferimento di tensione in serie o in derivazione.
La scelta del riferimento
Vediamo ora come utilizzare queste informazioni per scegliere il riferimento di tensione più adatto. Se la tensione di alimentazione è molto elevata, la soluzione migliore è un riferimento in derivazione a due terminali; se invece si prevedono ampie variazioni della tensione di alimentazione o della corrente di carico, è preferibile optare per un riferimento in serie. Per calcolare la precisione totale del riferimento si deve tener conto della precisione richiesta dall'applicazione. Moltiplicare la deriva termica per il range di temperature specificato per il riferimento di tensione - Linear Technology fornisce dati garantiti su diversi intervalli, tra cui da 0°C a 70°C, da -40°C a 85°C e da -40°C a 125°C. Per un'idea della precisione totale, bisogna aggiungere l'errore di precisione iniziale, l'isteresi termica e la deriva a lungo termine in relazione al ciclo di vita del prodotto. Per le applicazioni più sofisticate si devono aggiungere anche il rumore e gli errori di regolazione della linea e del carico. Ad esempio, un riferimento con un errore di precisione iniziale dello 0,1% (1000ppm), una deriva termica di 25 ppm/°C in un range compreso tra -40°C e 85°C, un'isteresi termica di 200 ppm, un rumore picco-picco di 2ppm e una stabilità a lungo termine di 50ppm/√kHr, avrebbe un'incertezza totale di oltre 4300 ppm nel momento di realizzazione del circuito. Quest'ultima aumenta di 50 ppm nelle prime 1000 ore di funzionamento. La precisione iniziale può essere calibrata riducendo l'errore a 3300 ppm + 50 ppm • √(t/1000 ore). Altri elementi di cui tenere conto sono la tensione di alimentazione massima prevista, il consumo di energia e la corrente di carico. Il carico consumerà molta corrente o produrrà una corrente che il riferimento deve ridurre? Molti riferimenti possono fornire solo correnti limitate al carico mentre altri possono assorbirne molta. Un buon metro di paragone è la specifica della regolazione del carico. I riferimenti sono alloggiati in diversi tipi di package: di plastica, a montaggio superficiale a tenuta ermetica e perfino di metallo. Una scelta oculata del metodo e delle posizioni di montaggio può contribuire a ridurre le sollecitazioni e le relative imprecisioni.
