Blog dell'azienda Riferimenti di Tensione TI Riciclati: Riferimenti e Sorgenti di Corrente, Riferimenti di Tensione Serie/Shunt

Riciclare i riferimenti di tensione TI: riferimenti e sorgenti di corrente, riferimenti di tensione serie/shunt

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I. Distinguere tra concetti fondamentali dei riferimenti attuali e delle fonti attuali

All'interno del sistema delle fonti di riferimento, i riferimenti attuali e le fonti attuali sono spesso confusi; tuttavia, esistono differenze fondamentali nelle funzioni, nel posizionamento e negli scenari applicativi. Rappresentano due tipi distinti di unità di base nei circuiti analogici e TI Precision Devices ne definisce chiaramente i parametri e ne delinea i confini dell'applicazione.

1.1 Riferimento attuale

Un riferimento di corrente è un componente principale che fornisce una corrente di riferimento fissa, ad alta precisione e a bassa deriva; il suo attributo chiave è la "stabilità" piuttosto che la "capacità di guida". La sua corrente di uscita ha un valore nominale fisso, praticamente non influenzato da piccole fluttuazioni della tensione di ingresso, della resistenza di carico o della temperatura ambiente, e la sua funzione primaria è quella di fornire un preciso standard di riferimento di corrente per i circuiti.

I riferimenti di corrente TI sono generalmente progettati sulla base di un'architettura di riferimento con bandgap, caratterizzata da un coefficiente di temperatura estremamente basso (tipicamente 10–50 ppm/°C), elevata precisione iniziale, eccellente stabilità a lungo termine e consumo energetico di quiescenza estremamente basso. Le loro caratteristiche principali sono le seguenti:

- Caratteristiche dell'uscita: emette una corrente di riferimento costante; il valore corrente è fisso e non regolabile; l'intervallo di adattamento del carico è ristretto, adatto solo per piccoli carichi e applicazioni di campionamento ad alta precisione;

- Funzione principale: fornisce una polarizzazione di corrente precisa per ADC/DAC, amplificatori operazionali, nuclei di riferimento di tensione e circuiti di campionamento, garantendo la stabilità del punto operativo di quiescenza del circuito analogico;

- Vantaggi elettrici: deriva a bassa temperatura, elevata linearità, forte immunità alle interferenze dell'alimentazione e nessuna ondulazione in uscita, che li rendono adatti per catene di segnali di precisione;

- Dispositivi tipici: REF200, l'unità di riferimento di corrente integrata nell'LM4040 e la serie di riferimento bandgap ad alta precisione.

1.2 Fonte corrente

Una sorgente di corrente è un circuito o dispositivo funzionale con una certa capacità di pilotaggio che può emettere una corrente costante; il suo attributo principale è "azionamento a corrente costante", con la priorità di garantire una corrente di carico stabile. I requisiti di massima precisione e deriva termica sono inferiori a quelli dei riferimenti attuali. I generatori di corrente TI si dividono in due categorie: generatori di corrente integrati e generatori di corrente programmabili costruiti su base di riferimento.

Le loro caratteristiche principali sono le seguenti:

- Caratteristiche dell'uscita: In grado di erogare una corrente costante; alcuni generatori di corrente programmabili supportano la regolazione della corrente tramite resistori esterni; ampio intervallo di adattamento del carico; in grado di pilotare carichi di potenza;

- Funzioni principali: pilotaggio di LED, sensori, termocoppie e circuiti di ricarica; abilitazione dell'alimentazione a corrente costante, test di carico e controllo del circuito;

- Caratteristiche elettriche: forte capacità di guida e un ampio intervallo di corrente di uscita; tuttavia, la deriva termica e la precisione iniziale sono generalmente inferiori a quelle dei riferimenti di corrente dedicati e alcune sorgenti di corrente in modalità di commutazione presentano una leggera ondulazione;

- Applicazioni tipiche: sorgenti di corrente programmabili basate su TL431 e REF5050 e circuiti integrati driver a corrente costante dedicati di TI.

1.3 Riepilogo delle differenze chiave tra i due

I riferimenti attuali danno priorità all'accuratezza e alla stabilità; fungono da "metro di riferimento attuale" del circuito e non richiedono capacità di azionamento ad alta potenza. Le fonti di corrente danno priorità alla capacità di azionamento a corrente costante; fungono da "alimentatore" del circuito, con requisiti di precisione sufficienti per applicazioni industriali standard. Inoltre, i generatori di corrente ad alta precisione devono essere costruiti utilizzando un riferimento di tensione più un'architettura di amplificatore operazionale, con il riferimento di corrente che costituisce il nucleo del generatore di corrente ad alta precisione.

II. Classificazione principale dei riferimenti di tensione TI: serie vs parallelo

Un riferimento di tensione è un dispositivo di riferimento che emette una tensione fissa e precisa, fornendo una tensione standard per la conversione dei dati, il campionamento della tensione e la calibrazione dell'alimentatore. Tutti i riferimenti di tensione TI sono divisi in due categorie: riferimenti di tensione in serie e riferimenti di tensione in parallelo. Le loro architetture corrispondono rispettivamente agli LDO e ai diodi Zener; le loro topologie di circuito, caratteristiche elettriche e applicazioni adatte sono completamente diverse e queste differenze costituiscono la base principale per la selezione della progettazione dell'hardware.

2.1 Riferimenti di tensione in serie (riferimento in serie)

Un riferimento di tensione in serie è un dispositivo a tre terminali (VIN, VOUT, GND) la cui architettura ricorda da vicino quella di un regolatore lineare a bassa caduta di tensione (LDO). Al suo interno, un transistor di regolazione controllabile è collegato in serie tra la tensione di ingresso e il carico di uscita; regolando dinamicamente la resistenza equivalente interna, compensa le fluttuazioni della tensione di ingresso e le variazioni del carico, mantenendo così una tensione di uscita costante.

2.1.1 Principio di funzionamento

Il riferimento in serie funziona in serie con il carico. La tensione di ingresso VIN viene elaborata dall'unità di regolazione interna del dispositivo per stabilizzare l'uscita ad una tensione VREF fissa. Il dispositivo stesso sopporta la differenza di tensione tra ingresso e uscita e la corrente di carico è fornita interamente dal riferimento in serie. Non sono necessarie resistenze esterne di divisione della tensione o di limitazione della corrente e la tensione di riferimento è stabile immediatamente dopo l'accensione. Un nucleo con bandgap integrato con compensazione della temperatura consente una regolazione della tensione ad alta precisione in un ampio intervallo di temperature.

2.1.2 Vantaggi principali

- Configurazione minima: non sono necessarie resistenze esterne; il dispositivo funziona solo con condensatori di filtro di ingresso e uscita, riducendo al minimo la perdita di precisione causata dalla deriva del dispositivo;

- Consumo energetico controllabile: corrente di quiescenza estremamente bassa, abbinata a un consumo energetico minimo in condizioni di assenza di carico e di carico leggero, che lo rendono adatto per applicazioni a batteria e a basso consumo;

- Precisione superiore: elevata precisione iniziale, deriva termica estremamente bassa, basso rumore di uscita ed eccellente stabilità a lungo termine, che lo rendono la scelta preferita per catene di segnali di precisione;

- Forte adattabilità al carico: può fornire direttamente una tensione di riferimento per ADC e DAC; offre una capacità di carico moderata; e presenta fluttuazioni di tensione minime sotto carichi dinamici.

2.1.3 Limitazioni

- Soggetto a un limite massimo di tensione in ingresso; la sovratensione in ingresso può danneggiare il dispositivo, rendendolo inadatto ad applicazioni ad alta tensione con fluttuazioni di tensione estreme;

- Non può fornire un'uscita di riferimento negativa; la topologia supporta solo tensioni di riferimento positive;

- Il prezzo è più alto di quello dei riferimenti paralleli standard, rendendoli generalmente meno adatti per applicazioni sensibili ai costi.

2.1.4 Dispositivi tipici e scenari applicativi

I principali riferimenti collegati in serie di TI: serie di livello automobilistico REF30E, REF50xx e REF53-Q1. Questi vengono utilizzati principalmente per campionamento ADC/DAC ad alta precisione, strumentazione, apparecchiature mediche, calibrazione del segnale del sensore ad alta precisione e dispositivi portatili a bassa potenza.

2.2 Riferimenti di tensione di shunt

I riferimenti di tensione shunt sono dispositivi regolabili a due o tre terminali. Il loro principio di funzionamento è coerente con quello di un diodo Zener; il dispositivo è collegato in parallelo al carico e il nucleo regola la tensione deviando la corrente per mantenere una tensione costante sul nodo parallelo. Questa è una classica architettura di riferimento per la regolazione della tensione.

2.2.1 Principio di funzionamento

Durante il funzionamento è necessario collegare in serie una resistenza limitatrice di corrente. La tensione di ingresso viene ridotta tramite il resistore di limitazione della corrente e quindi applicata in parallelo al dispositivo di riferimento e al carico. Quando la tensione di ingresso aumenta o la corrente di carico diminuisce, la corrente di shunt attraverso il dispositivo aumenta, aumentando la caduta di tensione attraverso il resistore di limitazione di corrente; al contrario, la corrente di shunt diminuisce, mantenendo in definitiva una tensione di riferimento di uscita stabile. La tensione di uscita di un riferimento shunt a tre terminali può essere programmata in modo flessibile tramite resistori divisori di tensione esterni.

2.2.2 Vantaggi principali

- Flessibilità estremamente elevata: supporta la programmazione della tensione ad ampio intervallo e può emettere riferimenti positivi, negativi e con massa flottante, rendendolo adatto a topologie di circuiti specializzati;

- Forte tolleranza alla tensione: ampio intervallo di tensione in ingresso ed elevata resistenza alle fluttuazioni di tensione, che lo rendono adatto a scenari industriali ad alta tensione e alimentazione fluttuante;

- Basso costo: prezzo contenuto del dispositivo, estremamente versatile, con notevoli vantaggi per la produzione in serie;

- Funzionalità versatile: può fungere da monitor di tensione, limitatore di corrente e sorgente di corrente programmabile, offrendo più funzioni in un unico dispositivo.

2.2.3 Limitazioni

- Consumo energetico relativamente elevato: una corrente operativa minima deve fluire continuamente; l'elevato consumo energetico a vuoto richiede cautela per i dispositivi alimentati a batteria a bassa potenza;

- Precisione moderata: rispetto ai riferimenti della serie, presenta una maggiore deriva termica, una precisione iniziale inferiore e un'impedenza di uscita leggermente superiore;

- Circuiti periferici complessi: devono essere abbinati a un resistore di limitazione di corrente ad alta precisione; la precisione di questo resistore influisce direttamente sulla precisione di riferimento complessiva.

2.2.4 Dispositivi tipici e scenari applicativi

I principali riferimenti paralleli di TI: TL431, TL432 e la serie migliorata ad alta precisione TL431LI. Utilizzato principalmente per la regolazione del feedback dell'alimentatore in modalità commutazione, il monitoraggio della tensione industriale, riferimenti ADC di precisione standard, sorgenti di corrente programmabili, driver LED a corrente costante e sistemi di alimentazione a basso costo.

III. Principi fondamentali per la selezione e la progettazione

1. Scenari ad alta precisione e a basso consumo (strumentazione, apparecchiature mediche, ADC ad alta precisione): dare priorità ai riferimenti di tensione della serie TI, combinati con riferimenti di corrente ad alta precisione per la polarizzazione, per garantire l'accuratezza del campionamento del sistema;

2. Scenari di regolazione della tensione a basso costo, ad ampia tensione e per uso generale (alimentatori a commutazione, monitoraggio industriale, driver per uso generale): dare priorità ai riferimenti paralleli come TL431, che consentono una configurazione flessibile dei circuiti di uscita di tensione e corrente;

3. Applicazioni di azionamento a corrente costante: per applicazioni a corrente costante di precisione per piccoli segnali, utilizzare riferimenti di corrente dedicati; per gli azionamenti a corrente costante ad alta potenza, utilizzare sorgenti di corrente programmabili costruite utilizzando riferimenti paralleli;

4. Scenari di tensione speciali (tensioni negative, riferimenti a terra flottante): possono essere utilizzati solo riferimenti di tensione paralleli; i riferimenti di serie non sono adatti.