基準電壓源電路

有許多方法可以設(shè)計基準電壓源IC，而每種方法都有特定的優(yōu)點和缺點。

 

基于齊納二極管的基準電壓源

深埋齊納型基準電壓源是一種相對簡單的設(shè)計。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間穩(wěn)定性，因此其適用于基準電壓變化小的應(yīng)用。

 

與其他類型的基準電壓源電路相比，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?？梢栽黾与娐穪硌a償這些缺陷，或者提供一系列輸出電壓。分流和串聯(lián)基準電壓源均使用齊納二極管。

 

帶隙基準電壓源

齊納二極管雖然可用于制作高性能基準電壓源，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，帶隙基準電壓源可以產(chǎn)生各種各樣的輸出電壓，電源裕量非常?。ㄍǔＰ∮?00mV）。帶隙基準電壓源可設(shè)計用來提供非常精確的初始輸出電壓和很低的溫度漂移，無需的耗時在應(yīng)用中校準。

 

帶隙操作基于雙極結(jié)型晶體管的基本特性。圖1所示為一個基本帶隙基準電壓源?？梢钥闯?，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，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行補償，使溫度漂移非常低。

 

圖1：設(shè)計帶隙電路提供理論上為零的溫度系數(shù)

 

基本帶隙基準電壓源背后的數(shù)學(xué)原理很有意思，因為它將已知溫度系數(shù)與獨特的電阻率相結(jié)合，產(chǎn)生理論上溫度漂移為零的基準電壓。圖1顯示了兩個晶體管，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。這就在兩個晶體管的基極之間產(chǎn)生一個已知電壓：

 

 

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，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)生一個與溫度成比例的電流。該電流偏置二極管Q14，25°C時其電壓為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。

 

分數(shù)帶隙基準電壓源

這種基準電壓源基于雙極晶體管的溫度特性設(shè)計，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基準電壓。分數(shù)帶隙基準電壓源通常使用?VBE產(chǎn)生一個與溫度成正比的電流，使用VBE產(chǎn)生一個與溫度成反比的電流。二者以適當(dāng)?shù)谋壤谝粋€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，分數(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基準電壓源電路
 

像LM10電路這樣的分數(shù)帶隙基準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基準和放大器的串聯(lián)基準。因此，可以通過改變放大器的增益來改變基準電壓，并提供一個緩沖輸出。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的閾值進行比較
 

有些器件其將400mV基準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

 

選擇基準電壓源

了解所有這些選項之后，如何為應(yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)幕鶞孰妷涸茨?？以下是一些用來縮小選擇范圍的竅門：

● 電源電壓非常高？選擇分流基準電壓源。

● 電源電壓或負載電流的變化范圍很大？選擇串聯(lián)基準電壓源。

● 需要高功效比？選擇串聯(lián)基準電壓源。

● 確定實際溫度范圍。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，加上初始精度誤差、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校準或定期重新校準的項，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)整率和負載調(diào)整率誤差。例如：

 

一個基準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，時間漂移為50ppm/√kHr。

 

那么在電路建成時總不確定性將超過4300ppm。

 

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

 

● 實際功率范圍是什么？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電壓源數(shù)量。

 

● 基準電壓源的功耗可能是多少？基準電壓源往往分為幾類：

大于1mA，~500μA，<300μA，<50μA，<10μA，<1μA。

 

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

 

● 安裝空間有多少？基準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。人們普遍認為，較大封裝的基準電壓源因機械應(yīng)力引起的誤差要小于較小封裝的基準電壓源。雖然確有某些基準電壓源在使用較大封裝時性能更好，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，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。