電圧リファレンスガイド

電圧リファレンスは、電子部品、デバイス、または回路であり、他の外部条件に関係なく、一定のDC（直流）出力電圧、固定電圧を供給するように設計されています。これには、デバイスの総負荷、電源の変動、温度、湿度、経過時間、その他多くの変動要因などが含まれます。

電圧リファレンスは、広義には電源管理集積回路（PMIC）のカテゴリーに含まれます。

電圧リファレンスの重要な役割は、システム内の他のコンポーネントが自身の入力電圧を測定する際の基準となる標準を提供することです。これによりシステムは、速度、温度、圧力などの重要なアナログ測定基準に対して、容易に比較可能な電子的出力を提供することができます。

電圧リファレンスは通常、回路が電力を引き出している間、この既知の電位を提供します。これは、他のコンポーネントが一定の基準に対して、それぞれの役割にとって重要な入力信号の種類を測定し、解釈できることを意味します。このように、高品質の電圧リファレンスで評価される特性は、精度と安定性です。

特定の用途によっては、独自の性能上の利点と制限を持つ、特殊な電圧リファレンス設計を利用する場合があります。これには、例えばプログラマブル電圧リファレンスや、高電圧リファレンス、低電圧リファレンスなどの様々なタイプが含まれます。ほとんどの電圧リファレンスは比較的低い電流しか負荷に供給できず、特に大電流に対応できるものはほとんどありません。

いずれの場合も、製品のガイドラインを参照し、回路設計や電源、必要な出力に対して適切なタイプの電圧リファレンス・デバイスを選択していることを確認する必要があります。

以下のセクションでは、主なタイプについて説明します。

バンドギャップ電圧リファレンス

バンドギャップ電圧リファレンスは、温度に依存しない回路です。このタイプの部品は、基準電圧ICで一般的になってきています。電源の変動、デバイスからの回路負荷、そして最も重要な動作温度に関係なく、固定（一定）電圧を生成するために使用されます。

バンドギャップ電圧基準回路は、他の電圧基準タイプに特徴的な負の温度依存性の制限を効果的に打ち消します。これは、正の温度依存性を持つPTAT（proportional-to-absolute-temperature）回路を使用することで実現しています。これにより、ほとんどのツェナーや他の一般的な負の温度依存性電圧基準ダイオードよりも、より信頼性の高い性能を実現することができます。

バンドギャップダイオードは現在、高精度電圧基準回路に広く使用されています。バンドギャップ・ダイオードは、温度安定性と低ノイズ性能の向上が重要視される、さまざまなタイプの高精度電圧基準ICに不可欠です。

シャント電圧リファレンスの一般的な特性には次のようなものがあります：

• 一般的に、直列電圧リファレンスよりも低い動作電流があります。
• シンプルな2端子デバイスとして、電圧リファレンスのシャントレギュレータは、非標準の回路構成の幅広い範囲でより柔軟に使用できる場合があります。
• シャントリファレンスは、適切な電力散逸パラメータ内であれば、最大電源電圧に制限がありません。
• 電源は、シャント電圧リファレンスを介して最大電流を同じくし、負荷に関係なく一定の電流を供給します。電流は負荷とリファレンスの両方を通り、電圧を降下させて安定した出力を維持します。

電圧リファレンスは、パソコンやアナログ・デジタル・コンバータの電源など、さまざまな精密測定および制御システムに使用できます。また、高精度の科学用途や、定期的に電圧変動の試験と調整が必要な医療機器など、幅広い分野で使用されています。

多くの電圧リファレンスが販売されており、一般に、タイプ、許容差、定格電圧、基準電圧、定格電流、プログラム可能かどうかなどの要素によって分類されています。

一般的な許容差は±2％、±1％、および±0.5％ですが、電圧リファレンスは許容差±40％まで利用可能です。また、公称電圧で分類することもできます。4.096電圧リファレンスが最も一般的です。

現在入手可能な電圧リファレンスには多くの種類がありますが、最も一般的なコア設計は、2端子シャント電圧リファレンスと3端子シリーズ電圧リファレンスです。

第3のタイプである充電式コンデンサ電圧リファレンスは、かつては一般的な規格でした。しかし、現在ではセーフティ・クリティカルな用途で使用されることはほとんどありません。これは、この電圧リファレンスが多くの産業、実験室、輸送環境で頻繁に遭遇する電離放射線源に対して脆弱であるためです。

また、一部の電圧リファレンスは、直列モードまたはシャント・モードで機能するようになっています。

2端子シャント型では、ツェナー電圧リファレンスが最も一般的に使用されています。3端子直列コア設計に関しては、最も広く使用されているのは、埋設型ツェナー電圧リファレンスとバンドギャップ型電圧リファレンスです。

ツェナー・ダイオードは、半導体ダイオードの一種で、通常、アノードからカソードへの方向に電流を流します。重要なのは、ツェナー・ダイオードは逆方向に電流が流れても確実に動作し、逆方向降伏電圧でも故障しない特殊な整流ダイオードであることです。ツェナー・ダイオードは電圧レギュレーターとしても使用できます。

通常のダイオードは電流を一方向にしか流さないため、多くの電子機器で重要な役割を果たしています。しかし、ツェナー・ダイオードは、指定されたしきい値を超えると逆方向に電流が流れるように特別に設計されています。このしきい値はツェナー電圧として知られています。

ツェナーの原理によれば、逆バイアスのダイオードの電流は、電圧が上昇する前に、特定の電圧しきい値で流れ始めます。ツェナー・ダイオードは、電圧リファレンスとバイアスにより、ダイオード自体と直列に抵抗を使用して一定の電流を維持し、安定した基準電圧を提供します。

ツェナー・ダイオードは、アバランシェ・ダイオードとも呼ばれ、予測可能な逆電圧を示し、一定の範囲内で比較的一定に保たれます。ツェナー・ダイオードの電圧降下は固定されているため、回路設計者はダイオードの電圧降下が部品のツェナー電圧と一致することを知っており、回路電圧を調整するために使用できます。そのため、電圧リファレンスとしてのダイオードは、基準電圧を時間の経過とともにできるだけ安定に保持する必要がある場合に適しています。

電圧リファレンスと電源の相関関係とは？

電圧リファレンスと電源は、アナログ回路において重要な役割を果たします。電圧リファレンスは、ICに安定した固定電圧を供給し、電源は安定した電流を供給します。これらは精密な回路アプリケーションにおいて不可欠な要素です。

電圧リファレンスにおける熱ヒステリシスの原因は何ですか？

熱ヒステリシスは、温度サイクルによって発生し、電圧リファレンス回路の出力をシフトさせます。これは、電圧リファレンスが長期間にわたって正確で信頼性の高い出力を提供する必要がある場合に問題となります。熱ヒステリシスを完全になくすことはできませんが、その影響を最小限に抑えることはできます。サーマルヒステリシスは通常、予測可能な最大値をたどります。これは、その後のサイクルにおいて、多くのリファレンスが公称出力電圧付近で変動するためです。

ADC基準電圧の選択方法は？

ADC（アナログ／デジタルコンバータ）基準電圧の選択方法は、ADCが変換できる最大電圧レベルを決定することから始まります。また、分解能や初期精度、電圧出力レベルなどの要因も考慮する必要があります。回路やシステム用の基準電圧を選択する際には、特定のアプリケーションに関連する他のパラメータも理解することが重要です。初期精度の仕様は、製品をテストしたときの測定値が指定された初期精度の許容差内に収まることを示しますが、これはすべての動作条件や用途に対する絶対値を保証するものではありません。