会社ブログについて リサイクルTI電圧リファレンス: 電流リファレンス & ソース、シリーズ/シャント電圧リファレンス

リサイクルTI電圧リファレンス：電流リファレンス＆ソース、シリーズ/シャント電圧リファレンス

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I. 電流リファレンスと電流ソースのコアコンセプトの区別

リファレンスソースシステム内では、電流リファレンスと電流ソースはしばしば混同されますが、それらの機能、位置付け、およびアプリケーションシナリオには根本的な違いがあります。これらはアナログ回路における2つの異なるタイプの基本ユニットを表し、TIプレシジョンデバイスはそれらのパラメータを明確に定義し、それらのアプリケーション境界を区別します。

1.1 電流リファレンス

電流リファレンスは、固定された高精度、低ドリフトのリファレンス電流を提供するコアコンポーネントです。その主な属性は、「駆動能力」ではなく「安定性」です。その出力電流は固定の公称値であり、入力電圧、負荷抵抗、または周囲温度のわずかな変動の影響をほとんど受けません。その主な機能は、回路に正確な電流リファレンス標準を提供することです。

TIの電流リファレンスは一般的にバンドギャップリファレンスアーキテクチャに基づいて設計されており、非常に低い温度係数（通常10〜50 ppm/℃）、高い初期精度、優れた長期安定性、および非常に低い静止消費電力を特徴としています。それらの主な特徴は次のとおりです。

- 出力特性：一定のリファレンス電流を出力します。電流値は固定で調整不可です。負荷整合範囲は狭く、小負荷および高精度サンプリングアプリケーションにのみ適しています。

- コア機能：ADC/DAC、オペアンプ、電圧リファレンスコア、およびサンプリング回路に正確な電流バイアスを提供し、アナログ回路の静止動作点の安定性を確保します。

- 電気的利点：低温度ドリフト、高直線性、電源干渉に対する強力な耐性、および出力リップルがないため、精密信号チェーンに適しています。

- 代表的なデバイス：REF200、LM4040に内蔵された電流リファレンスユニット、および高精度バンドギャップリファレンスシリーズ。

1.2 電流ソース

電流ソースは、一定の電流を出力できる一定の駆動能力を持つ機能回路またはデバイスです。そのコア属性は「定電流駆動」であり、優先順位は安定した負荷電流を確保することです。究極の精度と温度ドリフトの要件は、電流リファレンスよりも低くなります。TIの電流ソースは、統合電流ソースとリファレンスベースで構築されたプログラマブル電流ソースの2つのカテゴリに分類されます。

それらの主な特徴は次のとおりです。

- 出力特性：一定の電流を供給できます。一部のプログラマブル電流ソースは、外部抵抗による電流調整をサポートしています。広い負荷整合範囲。電力型負荷を駆動できます。

- コア機能：LED、センサー、熱電対、充電回路の駆動。定電流電源、負荷テスト、ループ制御の実現。

- 電気的特性：強力な駆動能力と広い出力電流範囲。ただし、温度ドリフトと初期精度は通常、専用の電流リファレンスよりも低く、一部のスイッチモード電流ソースはわずかなリップルを示します。

- 代表的なアプリケーション：TL431およびREF5050に基づくプログラマブル電流ソース、およびTIの専用定電流ドライバIC。

1.3 両者の主な違いの概要

電流リファレンスは精度と安定性を優先します。それらは回路の「電流の物差し」として機能し、高電力駆動能力を必要としません。電流ソースは定電流駆動能力を優先します。それらは回路の「電源ユニット」として機能し、精度要件は標準的な産業用途で十分です。さらに、高精度電流ソースは、電圧リファレンスとオペアンプのアーキテクチャを使用して構築する必要があり、電流リファレンスが高精度電流ソースのコアを形成します。

II. TI電圧リファレンスのコア分類：シリーズ対パラレル

電圧リファレンスは、固定された正確な電圧を出力するリファレンスデバイスであり、データ変換、電圧サンプリング、電源キャリブレーションに標準電圧を提供します。すべてのTI電圧リファレンスは、シリーズ電圧リファレンスとパラレル電圧リファレンスの2つのカテゴリに分類されます。それらのアーキテクチャは、それぞれLDOとツェナーダイオードに対応しています。それらの回路トポロジー、電気的特性、および適切なアプリケーションは完全に異なり、これらの違いがハードウェア設計選択のコアベースを形成します。

2.1 シリーズ電圧リファレンス（シリーズリファレンス）

シリーズ電圧リファレンスは、低ドロップアウト線形レギュレータ（LDO）に密接に似たアーキテクチャを持つ3端子デバイス（VIN、VOUT、GND）です。そのコアでは、制御可能な調整トランジスタが入力電圧と出力負荷の間に直列に接続されています。内部等価抵抗を動的に調整することにより、入力電圧の変動と負荷の変化を補償し、それによって一定の出力電圧を維持します。

2.1.1 動作原理

シリーズリファレンスは負荷と直列に動作します。入力電圧VINはデバイスの内部レギュレーションユニットによって処理され、出力を固定VREF電圧に安定させます。デバイス自体は、入力と出力の間の電圧差を負担し、負荷電流はシリーズリファレンスから完全に供給されます。外部電圧分割抵抗または電流制限抵抗は不要で、リファレンス電圧は電源投入後すぐに安定します。統合された温度補償バンドギャップコアにより、広い温度範囲で高精度の電圧レギュレーションが可能になります。

2.1.2 主な利点

- セットアップが最小限：外部抵抗は不要です。デバイスは入力および出力フィルタコンデンサのみで動作し、デバイスドリフトによる精度損失を最小限に抑えます。

- 制御可能な消費電力：非常に低い静止電流と、無負荷および軽負荷時の最小限の消費電力を組み合わせることで、バッテリー駆動の低電力アプリケーションに適しています。

- 優れた精度：高い初期精度、非常に低い温度ドリフト、低出力ノイズ、優れた長期安定性により、精密信号チェーンの選択肢となります。

- 強い負荷適応性：ADCおよびDACに直接リファレンス電圧を提供できます。中程度の負荷容量を提供します。動的負荷下での電圧変動を最小限に抑えます。

2.1.3 制限事項

- 最大入力電圧制限の対象となります。入力過電圧はデバイスを損傷する可能性があり、極端な電圧変動を伴う高電圧アプリケーションには適していません。

- 負のリファレンス出力を提供できません。トポロジーは正のリファレンス電圧のみをサポートします。

- 価格は標準的なパラレルリファレンスよりも高いため、一般的にコストに敏感なアプリケーションにはあまり適していません。

2.1.4 代表的なデバイスとアプリケーションシナリオ

TIの主流シリーズ接続リファレンス：REF30E、REF50xx、およびREF53-Q1車載グレードシリーズ。これらは主に、高精度ADC/DACサンプリング、計測機器、医療機器、高精度センサー信号キャリブレーション、および低電力ポータブルデバイスに使用されます。

2.2 シャント電圧リファレンス

シャント電圧リファレンスは、2端子または3端子の調整可能なデバイスです。それらの動作原理はツェナーダイオードと一致しています。デバイスは負荷と並列に接続され、コアは電流をシャントすることによって電圧をレギュレーションし、並列ノードで一定の電圧を維持します。これは古典的な電圧レギュレーションリファレンスアーキテクチャです。

2.2.1 動作原理

動作中は電流制限抵抗を直列に接続する必要があります。入力電圧は電流制限抵抗を介してステップダウンされ、リファレンスデバイスと負荷に並列に印加されます。入力電圧が上昇するか、負荷電流が減少すると、デバイスを流れるシャント電流が増加し、電流制限抵抗の両端の電圧降下が増加します。逆に、シャント電流が減少し、最終的に安定した出力リファレンス電圧を維持します。3端子シャントリファレンスの出力電圧は、外部電圧分割抵抗を介して柔軟にプログラム可能です。

2.2.2 主な利点

- 非常に高い柔軟性：広範囲の電圧プログラミングをサポートし、正、負、およびフローティンググラウンドリファレンスを出力できるため、特殊な回路トポロジーに適しています。

- 強い電圧耐性：広い入力電圧範囲と電圧変動に対する高い耐性により、産業用の高電圧および変動する電源シナリオに適しています。

- 低コスト：デバイス価格が低く、非常に汎用性が高く、大量生産に大きな利点があります。

- 多機能性：電圧モニター、電流制限器、およびプログラマブル電流ソースとして機能し、単一デバイスで複数の機能を提供します。

2.2.3 制限事項

- 比較的高い消費電力：最小動作電流が継続的に流れる必要があります。高い無負荷消費電力は、低電力バッテリー駆動デバイスでは注意が必要です。

- 中程度の精度：シリーズリファレンスと比較して、温度ドリフトが大きく、初期精度が低く、出力インピーダンスがわずかに高くなります。

- 複雑な周辺回路：高精度電流制限抵抗とペアにする必要があります。この抵抗の精度は、全体のリファレンス精度に直接影響します。

2.2.4 代表的なデバイスとアプリケーションシナリオ

TIの主流パラレルリファレンス：TL431、TL432、およびTL431LI高精度強化シリーズ。主にスイッチモード電源のフィードバックレギュレーション、産業用電圧監視、標準精度ADCリファレンス、プログラマブル電流ソース、定電流LEDドライバ、および低コスト電源システムに使用されます。

III. 選択と設計のコア原則

1. 高精度、低電力シナリオ（計測機器、医療機器、高精度ADC）：TIシリーズ電圧リファレンスを優先し、高精度電流リファレンスをバイアス用に組み合わせることで、システムサンプリング精度を確保します。

2. 低コスト、広電圧、汎用電圧レギュレーションシナリオ（スイッチモード電源、産業用監視、汎用ドライバ）：TL431などのパラレルリファレンスを優先し、電圧および電流出力回路の柔軟な構成を可能にします。

3. 定電流駆動アプリケーション：小信号精密定電流アプリケーションには、専用の電流リファレンスを使用します。高電力定電流駆動には、パラレルリファレンスを使用して構築されたプログラマブル電流ソースを使用します。

4. 特殊電圧シナリオ（負電圧、フローティンググラウンドリファレンス）：パラレル電圧リファレンスのみを使用できます。シリーズリファレンスは適していません。