Перейти к содержанию

Источник опорного напряжения bandgap

Внутри многих микроконтроллеров есть небольшой источник опорного напряжения — у ATmega328P около 1,1 В, от которого работают детектор просадки питания, компаратор и АЦП. Его называют bandgap — по физическому принципу. Он скомпенсирован по температуре, но от экземпляра к экземпляру разбросан примерно на ±9 %, и это главное, что нужно знать при работе с ним.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Источник опорного напряжения bandgap — источник опорного напряжения с температурной компенсацией, построенный на свойствах кремниевого p-n-перехода; название отсылает к ширине запрещённой зоны (band gap) кремния. TI описывает такую опору в LM4040 как температурно-компенсированный bandgap, который управляет усилителем и шунтирующим элементом (SLOS456Q, разд. 7.3). На этом принципе построены и внутренние опоры микроконтроллеров, и многие прецизионные источники опорного напряжения.

Bandgap в ATmega328P

ПараметрЗначение
VBG при VCC = 2,7 В, 25 °C1,0 / 1,1 / 1,2 В (мин. / тип. / макс.)
Время запуска tBG40 мкс типично, 70 мкс максимум
Кто используетдетектор просадки питания, компаратор (бит ACBG), АЦП
Опорное АЦП 1,1 Виз VBG через внутренний усилитель

Источник: DS40002061B, разд. 11.7, 24.5.2 и 29.5. Для экономии энергии bandgap включается только тогда, когда работает BOD, выбран компаратором или включён АЦП. После включения нужно выждать время запуска, а при подаче bandgap на вход АЦП — отбросить первое преобразование.

Измерение питания через bandgap

Если опорой АЦП выбрано само питание AVCC, а на вход подан bandgap, код АЦП равен VBG·1024/VCC. Отсюда:

VCC=VBG⋅1024NV_\text{CC} = \frac{V_\text{BG} \cdot 1024}{N}

Так батарейное устройство узнаёт напряжение питания без делителя и без лишнего тока. Ограничение — начальная точность: VBG разбросан от 1,0 до 1,2 В, то есть примерно ±9 % от типового значения. Для точного измерения его калибруют на каждом экземпляре: меряют напряжение на AREF при выбранной опоре 1,1 В и записывают в EEPROM. Код АЦП и опоры AVR считает калькулятор АЦП AVR.

Прецизионные bandgap-источники

Внешние ИОН вроде REF50xx построены на том же принципе, но с высокой начальной точностью и малым дрейфом. У них есть вывод TRIM/NR с доступом к самому bandgap: конденсатор 1 мкФ на нём вместе с внутренними резисторами образует фильтр 10–20 Гц и снижает шум на выходе вдвое, ценой более долгого запуска (SBOS410O, разд. 8.4). Подробнее — в карточке REF5025.

Частые вопросы

Как измерить напряжение питания Arduino без делителя?

Выбрать опорой АЦП само питание AVCC, а на вход подать внутренний bandgap. Тогда код АЦП = VBG·1024/VCC, и VCC = VBG·1024/код. Bandgap ATmega328P после включения нужно дождаться (до 70 мкс), а первое преобразование отбросить (DS40002061B, разд. 11.7 и 24.4). Точность ограничена разбросом VBG: 1,0–1,2 В, поэтому для точного результата VBG одного экземпляра калибруют.

Почему опорное 1,1 В у разных Arduino даёт разные показания?

Потому что VBG у ATmega328P нормирован в пределах 1,0–1,2 В при 25 °C (DS40002061B, разд. 29.5), то есть разброс около ±9 % от типового 1,1 В. Это начальная точность экземпляра, а не нестабильность: у одного кристалла значение держится. Его измеряют вольтметром на выводе AREF и подставляют в расчёт.

Чем внешний ИОН лучше внутреннего bandgap?

Начальной точностью, дрейфом и шумом. Внутренний bandgap ATmega328P имеет разброс 1,0–1,2 В, а прецизионные внешние источники вроде REF50xx построены на том же принципе, но подогнаны при производстве и имеют вывод для фильтрации шума bandgap (SBOS410O, разд. 8.1 и 8.4). Для 16-разрядных измерений внешний ИОН обязателен.

Источники

  1. Microchip. ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P Data Sheet, DS40002061B (2020) — разд. 11.7: внутренний bandgap используется детектором просадки питания и может подаваться на аналоговый компаратор и АЦП; включается, когда работает BOD, установлен бит ACBG или включён АЦП; после включения нужно дождаться запуска; разд. 24.4: при подаче bandgap на вход АЦП нужно время на установление, первое значение может быть неверным; разд. 24.5.2: внутренний опорный 1,1 В получается из VBG через внутренний усилитель; разд. 29.5, «System and Reset Characteristics»: VBG 1,0 / 1,1 / 1,2 В (мин./тип./макс.) при VCC = 2,7 В и 25 °C, время запуска tBG 40 мкс типично, 70 мкс максимум
  2. Texas Instruments. LM4040 Precision Micropower Shunt Voltage Reference, SLOS456Q (revised April 2026) — разд. 7.3: температурно-компенсированный bandgap управляет усилителем с большим усилением и шунтирующим элементом и поддерживает почти постоянное напряжение между катодом и анодом
  3. Texas Instruments. REF50xx Low-Noise, Very Low Drift, Precision Voltage Reference, SBOS410O (revised October 2025) — разд. 8.1: REF50xx — семейство малошумящих прецизионных источников опорного напряжения на основе bandgap с высокой начальной точностью и малым дрейфом; разд. 8.4: вывод TRIM/NR даёт доступ к bandgap, конденсатор 1 мкФ с внутренними резисторами образует ФНЧ с частотой среза 10–20 Гц и снижает шум на выходе вдвое; больший конденсатор увеличивает время запуска

Нашли ошибку?

Смотрите также