ヒータ内蔵ツェナー電圧リファレンス

■問題

【 ADR1000 】

小川　敦　Atsushi Ogawa

　図1は，ヒータを内蔵したツェナー電圧リファレンスIC(ADR1000)の推奨接続図です．ADR1000は，内蔵ヒータにより，チップ温度を一定に維持することで，周囲温度が変動したときの，REF端子の電圧変動を小さくすることができます．また，抵抗(R₁)でツェナー・ダイオード(D_Z)の動作電流(I_Z)を設定します．
　ここで，R₁を100Ωとしたとき，ツェナー・ダイオード(D_Z)に流れる電流(I_Z)は，(a)～(d)のどれでしょうか．ただし，内蔵トランジスタ(Q₁)の0℃のときのベース・エミッタ間電圧(V_BE)は0.658Vで，V_BEの温度係数を-2.2mV/℃とします．また，ヒータによりチップ温度(T_C)は70℃になっているものとします．

図1　ヒータ内蔵したツェナー電圧リファレンスIC(ADR1000)の推奨接続図⁽¹⁾
R₁=100Ωのとき，ツェナー・ダイオードに流れる電流はいくつ？

(a) 3.6mA　(b) 4.7mA　(c) 6.2mA　(d) 7.6mA

■ヒント

　R₁に流れる電流が，ツェナー・ダイオードの動作電流(I_Z)となります．また，オペアンプ(U₃)は，R₁の上端電圧とR₂の下端電圧が等しくなるように，REF端子電圧をコントロールします．その結果，R₁に加わる電圧がいくつになるかを考えれば，答えは分かります．

■解答

(b) 4.7mA

　オペアンプ(U₃)により，R₁の上端電圧とR₂の下端電圧が等しくなるように制御されているとき，「R₀+R₁」に加わる電圧は，Q₁のベース・エミッタ間電圧と等しくなります．0℃のときのQ₁のベース・エミッタ間電圧が0.658Vであるとすると，70℃のときの電圧は「0.658V-2.2mV*70=0.504」となります．そのため，R₁に流れる電流は「0.504/(7+100)=4.7mA」となり，これがツェナー・ダイオードの動作電流になります．

■解説

●ツェナー・ダイオード電圧リファレンスの動作
　図2は，図1の電圧リファレンス回路部分を取り出し，分かりやすく書き変えたものです．この回路がどのように動作するのかを考えてみます．
　なお，図2では省略していますが，別回路によって，REF端子の電圧は0Vにならないようになっているものとします．

図2　電圧リファレンス回路部分を分かりやすく書き変えたもの
REF点の電圧は，BE点の電圧とツェナー・ダイオードの電圧(V_Z)を足したもの．

▼ブレーク・ダウン電圧より低い場合
　REF端子の電圧が，ツェナー・ダイオードのブレーク・ダウン電圧より低い場合，R₁には電流が流れないため，IZSET点の電圧は0Vとなります．このとき，Q₁もOFFしているため，QC1点の電圧はREF端子電圧と等しくなります．すると，QC1点の電圧がIZSET点よりも大きいため，オペアンプ出力は，正の電圧を出力します．

▼ブレーク・ダウン電圧より高い場合
　オペアンプ出力の正の電圧が上昇し，REF端子の電圧が，ツェナー・ダイオードのブレーク・ダウン電圧より高くなった場合，R₁に電流が流れ，BE点の電圧が上昇します．BE点の電圧が0.6Vを越えると，Q₁に電流が流れ，QC1点の電圧を引き下げます．その結果，QC1点とIZSET点の電圧が等しくなったところでループが安定します．R₀の電圧降下を無視すると，QC1点の電圧はBE点の電圧(V_BE)とほぼ等しくなります．そのため，Q₁の電流(I_Q1)は式1で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)

　ツェナー・ダイオードに流れる電流(I_Z)はR₁に流れる電流と等しく，式2で表されます．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)

　REF点の電圧は，BE点の電圧とツェナー・ダイオードの電圧(V_Z)を足したものなので，式3になります．

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)

　ここで，V_BEの温度係数が-2.2mV/℃で，V_Zの温度系数が2.2mV/℃となっているため，両者は打ち消し合い，V_REFの温度係数は，ほぼ0となります．

●ツェナー・ダイオードの動作電流
　次に式2を使用して，図1のツェナー・ダイオードの動作電流を計算してみます．問題文より，Q₁の0℃のときのV_BEは0.658Vで，V_BEの温度係数は-2.2mV/℃です．この条件で，チップ温度(T_C)が70℃のときのI_Zを求めると，式4のように4.7mAとなります．

・・・・・・・(4)

●ツェナー・ダイオード電圧リファレンスを検証する
　図3は，図1のツェナー・ダイオード電圧リファレンス部分をシミュレーションするための回路です．温度を-20℃から70℃まで変化させるシミュレーションを実施します．

図3　ツェナー・ダイオード電圧リファレンスをシミュレーションするための回路
温度を-20℃から70℃まで変化させるシミュレーションを行う．

　図4は，図3のシミュレーション結果です．REF端子の電圧は6.63Vで温度が変化してもほとんど変化していません．ツェナー・ダイオードの動作電流となるR₁の電流は，高温で小さくなる，負の温度係数を持っています．そして，70℃のときの値は，4.63mAとなっています．これは，式4の計算結果とほぼ同じです．

図4　ツェナー・ダイオード電圧リファレンスのシミュレーション結果
70℃のときのツェナー・ダイオードの動作電流は，4.63mAとなっている．

●ヒータ制御回路の動作
　図5は，図1のヒータ制御回路部分を取り出し，分かりやすく書き変えたものです．

図5　ヒータ制御回路部分を分かりやすく書き変えたもの
ヒータで加熱されてチップ温度が上昇し，CQ2とBQ2の電圧が等しくなった温度で安定する．

　BQ2点の電圧は，REF端子の電圧をR₄とR₅で分圧したもので，式5のように，0.474Vとなります．

・・・・・・・・・・・・・・(5)

　常温のとき，この電圧ではQ₂にほとんど電流が流れず，CQ2点の電圧は，REF端子の電圧と等しくなります．すると，オペアンプ(U₃)の出力は，Vccに張り付き，Q_HTRを介してヒータに電流を流します．ヒータにより加熱されてチップ温度が上昇すると，Q₂が導通し，CQ2点の電圧を引き下げます．そして，CQ2点とBQ2の電圧が等しくなった温度でループが安定します．

●ヒータ制御回路の動作をシミュレーションする
　図6は，ヒータ制御回路の動作をシミュレーションするための回路です．LTspiceではヒータの発熱や，発熱によるチップ温度上昇を直接シミュレーションすることができないため，ビヘイビア電源を使用して，疑似的にシミュレーションを行います．

図6　ヒータ制御回路の動作をシミュレーションするための回路
ビヘイビア電源を使用して，疑似的に温度制御のシミュレーションを行う．

　まず，ビヘイビア電源(B₁)で温度上昇値を計算します．ヒータの消費電力を計算し，その消費電力にパッケージの熱抵抗を掛けることで，温度上昇値を電圧として出力します．そして，熱時定数を模擬するR₆，C₂を介してdT端子に温度上昇値を出力します．
　電圧源(V_Tn)は解析温度の27℃を表現しており，dT端子の電圧と加算することで，T_C端子にチップ温度相当の電圧を出力します．Q₂のベース端子に接続されたビヘイビア電源(B₂)は，温度上昇によるベース・エミッタ間電圧の変化（ΔV_BE)を模擬しています．
　図7は，図6のシミュレーション結果です．

図7　ヒータ制御回路の動作のシミュレーション結果
ヒータにより，チップ温度は70℃に制御されている．

　上段が「HEATER+」端子の電圧でヒータに加わる電圧を表しています．下段は「T_C」端子の電圧で，チップ温度を表しています．ヒータに加わる電圧は7.7V程度で安定し，そのときのチップ温度は70℃になっていることが分かります．
　以上，ヒータを内蔵したツェナー電圧リファレンスICについて解説しました．ADR1000の使用上の注意点に関してはADR1000のデータシートを参照してください．

◆参考・引用*文献
(1)ADR1000データシート(P9　図9.代表的な接続図)：アナログデバイセズ

■データ・ファイル

解説に使用しました，LTspiceの回路をダウンロードできます．
LTspice11_041.zip

●データ・ファイル内容
ADR1000_Temp.asc：図3の回路
ADR1000_Temp.plt：図4のグラフを描画するためのPlot settingsファイル
ADR1000.asc：図5の回路
ADR1000.plt：図7のグラフを描画するためのPlot settingsファイ