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Bild 1: Blockschaltbild einer Mobilfunk-Basisstation. Spannungsreferenzen sind dabei Komponenten von vitaler Bedeutung für zuverlässige Spannungspegel, sowohl im ADC, wie im DAC.
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.
Bild 3: Links die Ausgangsspannung des Bausteins ISL21010, mit Fokus auf das niederfrequente Rauschen. Rechts das niederfrequente Rauschen des ISL21009.

Spannungsreferenz mit Floating Gate Array

Intersils Floating-Gate-Array-Spannungsreferenzen übertreffen die Leistung herkömmlicher Bandgap-Referenzen. Die FGA-Technologie erzeugt sehr genaue und stabile Referenzspannungen, indem sie eine präzisen Ladung in einer Floating-Gate-Zelle speichert, die sich durch äußere Einflüsse wie Temperaturschwankungen, Eingangsspannung und Zeit kaum beeinflussen lässt.

Spannungsreferenzen gehören zu den einfachsten Komponenten elektronischer Systeme: Sie stellen eine spezifische Ausgangsspannung bereit. Das ist alles. Trotzdem werden sie immer wichtiger, da mehr und mehr Geräte batterieversorgt sind. Die Spannung von Batterien tendiert dazu, über der Zeit von ihrem Nennwert abzufallen. Natürlich kann man einfach mit der jeweils aktuellen Batteriespannung arbeiten, also mit einem groben, ungefähren Spannungswert. Doch dabei ist Vorsicht geboten. Chemie und Dichte von Batterien sind von sehr unterschiedlicher Natur. Lithium-Batterien halten die Nennspannung über ihre Lebenszeit recht gut ein. Bleisäure- und Alkaline-Batterien jedoch verlieren an Spannung, sobald sie Strom liefern. Wegen dieser kaum abschätzbaren Spannungsabfälle werden Spannungsreferenzen eingesetzt, die in größeren Systemen für einen zuverlässig eingehaltenen Spannungswert sorgen.

Das scheint recht einfach. Doch die Referenzspannung muss über weite betriebliche Spielräume und Vorkommnisse gewährleistet werden – beim Austausch der Stromversorgung, unter variablen Lastbedingungen, Temperaturwechsel und vielem anderen mehr. Neben der physischen Qualifizierung der Spannungsreferenz für mannigfache Betriebsbedingungen gibt es interne Messverfahren zur Bestimmung ihrer Qualität wie Leistungsverbrauch, genaue Einhaltung des Spannungspegels und Rauschanteil. Je besser dieser gemessene Qualitätswert, desto besser ist die Referenz. Als Beispiel denke man an die Spannungsreferenz in einem A/D-Wandler. Sie ist unter anderem als Ausführung mit 1024, 2048 oder 4096 V verfügbar. Diese Referenzen sind speziell für den Wandlermarkt ausgelegt, da ihre Ausgänge, gemessen in Millivolt, den Spannungspegeln von Wandlern mit 10, 11 und 12 Bit Auflösung entsprechen. Erst eine hinreichend genaue Spannungsreferenz gewährleistet die hoch qualitative Wandlung von analogen und digitalen Signalen.

Eine lange bewährte Methode zur Erzeugung einer Referenzspannung ist die Bandgap-Schaltung. Bandgap ist ein cleveres 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.

Mit steigender Performance  der verschiedenen Applika-tionen sind immer wieder  neue Schaltungen für die Spannungsreferenzen nötig.

Mit steigender Performance der verschiedenen Applika-tionen sind immer wieder neue Schaltungen für die Spannungsreferenzen nötig.Intersil

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 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.

Spezifikationen der beiden im Beitrag verglichenen Schaltungen: Die FGA-Variante (ISL21009) und die bipolare Lösung (ISL21010).

Spezifikationen der beiden im Beitrag verglichenen Schaltungen: Die FGA-Variante (ISL21009) und die bipolare Lösung (ISL21010).Intersil

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 Trade-offs, 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.