基準(zhǔn)電壓源電路

有許多方法可以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電壓源 IC，而每種方法都有特定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

基于齊納二極管的基準(zhǔn)電壓源

深埋齊納型基準(zhǔn)電壓源是一種相對簡單的設(shè)計(jì)。齊納（或雪崩）二極管具有可預(yù)測的反向電壓，該電壓具有相當(dāng)好的溫度穩(wěn)定性和非常好的時(shí)間穩(wěn)定性。如果保持在較小溫度范圍內(nèi)，這些二極管通常具有非常低的噪聲和非常好的時(shí)間穩(wěn)定性，因此其適用于基準(zhǔn)電壓變化小的應(yīng)用。

與其他類型的基準(zhǔn)電壓源電路相比，這種穩(wěn)定性可歸因于少元件數(shù)量和小芯片面積，而且齊納元件的構(gòu)造很精巧。然而，初始電壓和溫度漂移的變化相對較大，這很常見。可以增加電路來補(bǔ)償這些缺陷，或者提供一系列輸出電壓。分流和串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源均使用齊納二極管。

帶隙基準(zhǔn)電壓源

齊納二極管雖然可用于制作高性能基準(zhǔn)電壓源，但缺乏靈活性。具體而言，它需要 7V 以上的電源電壓，而且提供的輸出電壓相對較少。相比之下，帶隙基準(zhǔn)電壓源可以產(chǎn)生各種各樣的輸出電壓，電源裕量非常小（通常小于 100mV）。帶隙基準(zhǔn)電壓源可設(shè)計(jì)用來提供非常精確的初始輸出電壓和很低的溫度漂移，無需的耗時(shí)在應(yīng)用中校準(zhǔn)。

帶隙操作基于雙極結(jié)型晶體管的基本特性。圖 1 所示為一個(gè)基本帶隙基準(zhǔn)電壓源。可以看出，一對不匹配的雙極結(jié)型晶體管的 VBE 具有與溫度成正比的差異。這種差異可用來產(chǎn)生一個(gè)電流，其隨溫度線性上升。當(dāng)通過電阻和晶體管驅(qū)動該電流時(shí)，如果其大小合適，晶體管的基極 - 發(fā)射極電壓隨溫度的變化會抵消電阻兩端的電壓變化。雖然這種抵消不是完全線性的，但可以通過附加電路進(jìn)行補(bǔ)償，使溫度漂移非常低。

圖 1：設(shè)計(jì)帶隙電路提供理論上為零的溫度系數(shù)

基本帶隙基準(zhǔn)電壓源背后的數(shù)學(xué)原理很有意思，因?yàn)樗鼘⒁阎獪囟认禂?shù)與獨(dú)特的電阻率相結(jié)合，產(chǎn)生理論上溫度漂移為零的基準(zhǔn)電壓。圖 1 顯示了兩個(gè)晶體管，經(jīng)調(diào)整后，Q10 的發(fā)射極面積為 Q11 的 10 倍，而 Q12 和 Q13 的集電極電流保持相等。這就在兩個(gè)晶體管的基極之間產(chǎn)生一個(gè)已知電壓：

其中，k 為玻爾茲曼常數(shù)，單位為 J/K（1.38×10-23），T 為開氏溫度（273+T(°C)）；q 為電子電荷，單位為庫侖（1.6x10-19）。在 25°C 時(shí)，kT/q 的值為 25.7mV，正溫度系數(shù)為 86μV/°C。?VBE 為此電壓乘以 ln(10)或 2.3，25°C 時(shí)電壓約為 60mV，溫度系數(shù)為 0.2mV/°C。

將此電壓施加到基極之間連接的 50k 電阻，產(chǎn)生一個(gè)與溫度成比例的電流。該電流偏置二極管 Q14，25°C 時(shí)其電壓為 575mV，溫度系數(shù)為 -2.2mV/°C。電阻用于產(chǎn)生具有正溫度系數(shù)的壓降，其施加到 Q14 二極管電壓上，從而產(chǎn)生大約 1.235V 的基準(zhǔn)電壓電位，理論上溫度系數(shù)為 0mV/°C。這些壓降如圖 1 所示。電路的平衡提供偏置電流和輸出驅(qū)動。

分?jǐn)?shù)帶隙基準(zhǔn)電壓源

這種基準(zhǔn)電壓源基于雙極晶體管的溫度特性設(shè)計(jì)，但輸出電壓可以低至只有數(shù) mV。它適用于超低電壓電路，特別是閾值必須小于常規(guī)帶隙電壓（約 1.2V）的比較器應(yīng)用。

圖 2 所示為 LM10 的核心電路，同正常帶隙基準(zhǔn)電壓源相似，其中結(jié)合了與溫度成正比和成反比的元件，以獲得恒定的 200mV 基準(zhǔn)電壓。分?jǐn)?shù)帶隙基準(zhǔn)電壓源通常使用?VBE 產(chǎn)生一個(gè)與溫度成正比的電流，使用 VBE 產(chǎn)生一個(gè)與溫度成反比的電流。二者以適當(dāng)?shù)谋壤谝粋€(gè)電阻元件中合并，以產(chǎn)生不隨溫度變化的電壓。電阻大小可以更改，從而改變基準(zhǔn)電壓而不影響溫度特性。這與傳統(tǒng)帶隙電路的不同之處在于，分?jǐn)?shù)帶隙電路合并電流，而傳統(tǒng)電路傾向于合并電壓，通常是發(fā)射極、基極電壓和具有相反溫度漂移 （TC）的 I•R。

圖 2：200mV 基準(zhǔn)電壓源電路

像 LM10 電路這樣的分?jǐn)?shù)帶隙基準(zhǔn)電壓源在某些情況下同樣是基于減法。某些器件具有微功率、低電壓 400mV 基準(zhǔn)和放大器的串聯(lián)基準(zhǔn)。因此，可以通過改變放大器的增益來改變基準(zhǔn)電壓，并提供一個(gè)緩沖輸出。使用這種簡單電路可以產(chǎn)生低于電源電壓 0.4V 至幾毫伏的任何輸出電壓。

圖 3：支持與低至 400mV 的閾值進(jìn)行比較

有些器件其將 400mV 基準(zhǔn)電壓源與比較器相結(jié)合，是集成度更高的解決方案，可用作電壓監(jiān)控器或窗口比較器。400mV 基準(zhǔn)電壓源可以監(jiān)控小輸入信號，從而降低監(jiān)控電路的復(fù)雜性（圖 3）；它還能監(jiān)控采用非常低電源電壓工作的電路元件。如果閾值較大，可以添加一個(gè)簡單的電阻分壓器（圖 4）。這些產(chǎn)品均采用小尺寸封裝（SOT23），功耗很低（低于 10μA），支持寬電源范圍（1.4V 至 18V）。

圖 4：通過輸入電壓分壓來設(shè)置較高閾值

選擇基準(zhǔn)電壓源

了解所有這些選項(xiàng)之后，如何為應(yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源呢？以下是一些用來縮小選擇范圍的竅門：

● 電源電壓非常高？選擇分流基準(zhǔn)電壓源。

● 電源電壓或負(fù)載電流的變化范圍很大？選擇串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源。

● 需要高功效比？選擇串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源。

● 確定實(shí)際溫度范圍。溫度范圍包括 0°C 至 70°C、-40°C 至 85°C 和 -40°C 至 125°C。

● 精度要求應(yīng)切合實(shí)際。了解應(yīng)用所需的精度非常重要。這有助于確定關(guān)鍵規(guī)格。考慮到這一要求，將溫度漂移乘以指定溫度范圍，

上初始精度誤差、熱遲滯和預(yù)期產(chǎn)品壽命期間的長期漂移，再減去任何將在出廠時(shí)校準(zhǔn)或定期重新校準(zhǔn)的項(xiàng)，便得到總體精度。對于要求最苛刻的應(yīng)用，還可以加上噪聲、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率誤差。例如：

一個(gè)基準(zhǔn)電壓源的初始精度誤差為 0.1%（1000ppm），-40°C 至 85°C 范圍內(nèi)的溫度漂移為 25ppm/°C，熱遲滯為 200ppm，峰峰值噪聲為 2ppm，時(shí)間漂移為 50ppm/√kHr。

那么在電路建成時(shí)總不確定性將超過 4300ppm。

在電路通電后的前 1000 小時(shí)，這種不確定性增加 50ppm。初始精度可以校準(zhǔn)，從而將誤差降低至 3300ppm+50ppm•√（t/1000 小時(shí)）。

● 實(shí)際功率范圍是什么？最大預(yù)期電源電壓是多少？是否存在基準(zhǔn)電壓源 IC 必須承受的故障情況，例如電池電源切斷或熱插拔感應(yīng)電源尖峰等？這可能會顯著減少可選擇的基準(zhǔn)電壓源數(shù)量。

● 基準(zhǔn)電壓源的功耗可能是多少？基準(zhǔn)電壓源往往分為幾類：

大于 1mA，~500μA，<300μA，<50μA，<10μA，<1μA。

● 負(fù)載電流有多大？負(fù)載是否會消耗大量電流或產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓源必須吸收的電流？很多基準(zhǔn)電壓源只能為負(fù)載提供很小電流，很少基準(zhǔn)電壓源能夠吸收大量電流。負(fù)載調(diào)整率規(guī)格可以有效說明這個(gè)問題。

● 安裝空間有多少？基準(zhǔn)電壓源的封裝多種多樣，包括金屬帽殼、塑料封（DIP、SOIC、SOT）和非常小的封裝，例如采用 2mmx2mm DFN 的產(chǎn)品。人們普遍認(rèn)為，較大封裝的基準(zhǔn)電壓源因機(jī)械應(yīng)力引起的誤差要小于較小封裝的基準(zhǔn)電壓源。雖然確有某些基準(zhǔn)電壓源在使用較大封裝時(shí)性能更好，但有證據(jù)表明，性能差異與封裝大小沒有直接關(guān)系。更有可能的是，由于采用較小封裝的產(chǎn)品使用的芯片較小，所以必須對性能進(jìn)行某種取舍以適應(yīng)芯片上的電路。通常，封裝的安裝方法對性能的影響比實(shí)際封裝還要大，密切注意安裝方法和位置可以最大限度地提高性能。此外，當(dāng) PCB 彎曲時(shí)，占位面積較小的器件相比占位面積較大的器件，應(yīng)力可能更小。
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