選擇最佳的電壓基準(zhǔn)源

摘要：電壓基準(zhǔn)源簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，作為電路設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素，電壓基準(zhǔn)源的選擇需要考慮多方面的問題并作出折衷。本文討論了不同類型的電壓基準(zhǔn)源以及它們的關(guān)鍵特性和設(shè)計(jì)中需要考慮的問題，如精確度、受溫度的影響程度、電流驅(qū)動(dòng)能力、功率消耗、穩(wěn)定性、噪聲和成本。

幾乎在所有先進(jìn)的電子產(chǎn)品中都可以找到電壓基準(zhǔn)源，它們可能是獨(dú)立的、也可能集成在具有更多功能的器件中。例如：

• 在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中，基準(zhǔn)源提供了一個(gè)絕對(duì)電壓，與輸入電壓進(jìn)行比較以確定適當(dāng)?shù)臄?shù)字輸出。
• 在電壓調(diào)節(jié)器中，基準(zhǔn)源提供了一個(gè)已知的電壓值，用它與輸出作比較，得到一個(gè)用于調(diào)節(jié)輸出電壓的反饋。
• 在電壓檢測(cè)器中，基準(zhǔn)源被當(dāng)作一個(gè)設(shè)置觸發(fā)點(diǎn)的門限。

要求什么樣的指標(biāo)取決于具體應(yīng)用，本文討論不同類型的電壓基準(zhǔn)源、它們的關(guān)鍵指標(biāo)和設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮的問題。為設(shè)計(jì)人員提供了選擇最佳電壓基準(zhǔn)源的信息。

理想情況

理想的電壓基準(zhǔn)源應(yīng)該具有完美的初始精度，并且在負(fù)載電流、溫度和時(shí)間變化時(shí)電壓保持穩(wěn)定不變。實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員必須在初始電壓精度、電壓溫漂、遲滯以及供出/吸入電流的能力、靜態(tài)電流(即功率消耗)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、噪聲和成本等指標(biāo)中進(jìn)行權(quán)衡與折衷。

基準(zhǔn)源的類型

兩種常見的基準(zhǔn)源是齊納和帶隙基準(zhǔn)源。齊納基準(zhǔn)源通常采用兩端并聯(lián)拓?fù)洌粠痘鶞?zhǔn)源通常采用三端串連拓?fù)洹?

齊納二極管和并聯(lián)拓?fù)?/H2>

齊納二極管優(yōu)化工作在反偏擊穿區(qū)域，因?yàn)閾舸╇妷合鄬?duì)比較穩(wěn)定，可以通過一定的反向電流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)源。

齊納基準(zhǔn)源的最大好處是可以得到很寬的電壓范圍，2V到200V。它們還具有很寬范圍的功率，從幾個(gè)毫瓦到幾瓦。

齊納二極管的主要缺點(diǎn)是精確度達(dá)不到高精度應(yīng)用的要求，而且，很難勝任低功耗應(yīng)用的要求。例如：BZX84C2V7LT1，它的擊穿電壓，即標(biāo)稱基準(zhǔn)電壓是2.5V，在2.3V至2.7V之間變化，即精確度為±8%，這只適合低精度應(yīng)用。

齊納基準(zhǔn)源的另一個(gè)問題是它的輸出阻抗。上例中器件的內(nèi)部阻抗為5mA時(shí)100Ω和1mA時(shí)600Ω。非零阻抗將導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓隨負(fù)載電流的變化而發(fā)生變化。選擇低輸出阻抗的齊納基準(zhǔn)源將減小這一效應(yīng)。

埋入型齊納二極管是一種比常規(guī)齊納二極管更穩(wěn)定的特殊齊納二極管，這是因?yàn)椴捎昧酥踩牍璞砻嬉韵碌慕Y(jié)構(gòu)。

作為另一種選擇，可以用有源電路仿真齊納二極管。這種電路可以顯著改善傳統(tǒng)齊納器件的缺點(diǎn)。MAX6330就是一個(gè)這樣的電路。負(fù)載電流在100μA至50mA范圍變化時(shí)，具有1.5% (最大)的初始精度。此類IC的典型應(yīng)用如圖1所示。


圖1.

選擇合適的并聯(lián)電阻

所有的并聯(lián)結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)都需要一個(gè)與其串聯(lián)的限流電阻?？梢园凑障率竭x擇電阻：

(V_IN(max)-V_SHUNT(min)) / (I_SHUNT(max)+ I_LOAD(min)) < R_S < (V_IN(min) -V_SHUNT(max)) / (I_SHUNT(min) + I_LOAD(max))

其中：

V_IN是輸入電壓
V_SHUNT是調(diào)節(jié)后的電壓
I_LOAD是輸出電流
I_SHUNT是最小并聯(lián)工作電流。

注意，無論是否加有負(fù)載，并聯(lián)電路消耗的電流都是I_LOAD(max) + I_SHUNT。

選擇合適的R_S，相同的并聯(lián)基準(zhǔn)源可以用于10Vin或100Vin。為R_S的最大標(biāo)稱阻值對(duì)應(yīng)于最小的電流消耗。注意，要保證一個(gè)滿足電阻誤差容限最差時(shí)的安全余量。利用下式，可確保電阻有足夠的額定功率：

P_R = I_IN(V_IN(max) - V_SHUNT)
= I²_INR_S
= (V_IN(max) - V_SHUNT)²/R_S

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帶隙基準(zhǔn)源和串聯(lián)模式拓?fù)?/H2>

并聯(lián)基準(zhǔn)源和串聯(lián)基準(zhǔn)源的最大不同是三端串聯(lián)模式電壓基準(zhǔn)不需要外部電阻，并且靜態(tài)功耗要小得多。最常見的是帶隙基準(zhǔn)源。

帶隙基準(zhǔn)

帶隙基準(zhǔn)源提供兩個(gè)電壓：一個(gè)具有正溫度系數(shù)、另一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)。兩者配合使輸出溫度系數(shù)為零。

正溫度系數(shù)是由于運(yùn)行在不同電流水平上兩個(gè)Vbe的差異產(chǎn)生的；負(fù)溫度系數(shù)來自于Vbe電壓本身的負(fù)值溫度系數(shù)(見圖2)。

在實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)溫度系數(shù)之和并不精確為零。這依賴于很多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，如IC電路設(shè)計(jì)、封裝和制造測(cè)試等，這些器件通?？梢詫?shí)現(xiàn)每攝氏度5至100ppm的Vout溫度系數(shù)。


圖2. 帶隙電壓基準(zhǔn)源

采用并聯(lián)還是串聯(lián)結(jié)構(gòu)一般由應(yīng)用和希望達(dá)到的性能決定。表1是并聯(lián)結(jié)構(gòu)的齊納基準(zhǔn)與串聯(lián)結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)的對(duì)照表。

表1. 電壓基準(zhǔn)對(duì)照表

系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題和基準(zhǔn)源的選擇

功耗
如果設(shè)計(jì)中等精確度的系統(tǒng)，比如一個(gè)高效率、±5%電源或者是需要很小功率的8位數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，可以使用MAX6025或MAX6192這類器件。這兩個(gè)器件都是2.5V的基準(zhǔn)源，最大消耗電流為35μA。它們的輸出阻抗非常低，因此基準(zhǔn)電壓幾乎完全不受I_OUT影響。

供出和吸入電流
另一個(gè)指標(biāo)是基準(zhǔn)源供出和吸入電流的能力。

大多數(shù)應(yīng)用都需要電壓基準(zhǔn)源為負(fù)載供電，當(dāng)然，要求基準(zhǔn)源有能力提供負(fù)載所需的電流。它還需要提供所有的Ibias或漏電流D這些電流之和有時(shí)會(huì)超過負(fù)載電流。

ADC和DAC所需要的典型基準(zhǔn)源電流在幾十微安(如MAX1110)至10mA (最大值，如AD7886)。MAX6101-5系列基準(zhǔn)源能提供5mA電流，吸入電流2mA。對(duì)于較重負(fù)載，可選擇MAX6225/41/50系列基準(zhǔn)源，它們能提供15mA的供出和吸入電流。

溫漂
溫漂通常是一個(gè)可校準(zhǔn)的參數(shù)。它一般是可重復(fù)性的誤差。通過校準(zhǔn)或從以前得到的特性中查找取值可以實(shí)現(xiàn)這一誤差的修正。

校準(zhǔn)對(duì)于高分辨率系統(tǒng)是非常有用。對(duì)一個(gè)16位系統(tǒng)，如果要在整個(gè)商用溫度范圍(0°C至70°C，以25°C為基準(zhǔn)點(diǎn))保持精度在±1 LSB以內(nèi)，該基準(zhǔn)源的漂移必須小于1ppm/°C，ΔV = 1ppm/°C * 5V * 45°C) = 255μV。相同的溫度漂移擴(kuò)展到工業(yè)溫度范圍下只能適用于14位系統(tǒng)。

噪聲
噪聲通常是隨機(jī)熱噪聲，也可能包含閃爍噪聲和其它的寄生噪聲源。對(duì)于低噪聲應(yīng)用MAX6150、MAX6250 和MAX6350是很好的選擇，其噪聲性能分別為35μV，3μV和3μV_P-P所有這些對(duì)測(cè)量引入的噪聲都小于1 LSB?？梢杂枚啻尾蓸尤缓笕∑骄姆椒p小噪聲，其代價(jià)是增加了處理器的工作負(fù)擔(dān)、提高了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

輸出電壓溫度遲滯
該參數(shù)定義為在參考溫度下(25°C)由于溫度連續(xù)偏移(從熱到冷，然后從冷到熱)所引起的輸出電壓的變化。這一效應(yīng)將導(dǎo)致負(fù)面影響，因?yàn)樗姆戎苯优c系統(tǒng)所處環(huán)境的溫度偏移成比例。在許多系統(tǒng)中，這種誤差一般不具有可重復(fù)性，受IC電路設(shè)計(jì)和封裝的影響。例如，3引腳SOT23封裝的MAX6001，溫度遲滯典型值為130ppm。而采用更大尺寸、更穩(wěn)定的封裝，比如SO-8的MAX6190，該參數(shù)值只有75ppm。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性
這個(gè)參數(shù)定義為電壓隨時(shí)間的變化，它主要是由封裝或系列器件中的管芯應(yīng)力或離子遷移引起的。注意保持電路板的潔凈度，這也是一個(gè)影響長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素，尤其是它會(huì)隨溫度和濕度的變化而變化，這一影響有時(shí)比器件內(nèi)在穩(wěn)定性的影響還要大。長(zhǎng)期穩(wěn)定性通常定義在25°C參考溫度下。

總結(jié)

任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)都在于在成本、體積、精確度、功耗等諸多因素的平衡與折衷。為具體設(shè)計(jì)選擇最佳基準(zhǔn)源時(shí)需要考慮所有相關(guān)參數(shù)。有趣的是，很多時(shí)候選用較貴的元件反而使系統(tǒng)的整體成本更低，因?yàn)樗梢越档椭圃爝^程中補(bǔ)償和校準(zhǔn)的花銷。

表2. Maxim電壓基準(zhǔn)的精簡(jiǎn)列表

1) The Art of Electronics, by Paul Horowitz & Winfield Hill, Chapter 6
2) Micro-Electronic Circuits, by Adel S. Sedra & Kenneth C. Smith