還有什么比基準(zhǔn)電壓源（簡單、恒定的基準(zhǔn)電壓）更基本的呢？與所有設(shè)計(jì)主題一樣，需要權(quán)衡取舍。本文討論不同類型的基準(zhǔn)電壓源、其關(guān)鍵規(guī)格以及設(shè)計(jì)權(quán)衡，包括精度、溫度獨(dú)立性、電流驅(qū)動(dòng)能力、功耗、穩(wěn)定性、噪聲和成本。

您可以在幾乎所有先進(jìn)的電子產(chǎn)品中找到電壓基準(zhǔn)，無論是獨(dú)立的還是集成到更大的功能中。了解技術(shù)和系統(tǒng)誤差預(yù)算是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素。由于篇幅有限，我們建議在涉及系統(tǒng)概念時(shí)進(jìn)一步閱讀腳注。例如：

在穩(wěn)壓器中，基準(zhǔn)電壓源提供與輸出進(jìn)行比較的已知值，以產(chǎn)生用于調(diào)節(jié)輸出電壓的反饋.

應(yīng)用中可能需要遠(yuǎn)程電壓調(diào)節(jié)和電源裕量調(diào)節(jié)

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中，基準(zhǔn)電壓源提供絕對(duì)電壓與輸入電壓進(jìn)行比較，以確定正確的數(shù)字代碼.

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和基準(zhǔn)電壓源的誤差預(yù)算;或數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 和基準(zhǔn)電壓組合

其他數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器誤差源、有效分辨率和位數(shù)

用于轉(zhuǎn)換器精度和時(shí)鐘抖動(dòng)、信號(hào)帶寬和 THD 的工具和計(jì)算器

在電壓檢測器電路中，基準(zhǔn)用作設(shè)置跳變點(diǎn)的絕對(duì)閾值

所需的規(guī)格取決于應(yīng)用。本文討論不同類型的基準(zhǔn)電壓源、其關(guān)鍵規(guī)格和設(shè)計(jì)權(quán)衡。它提供的信息可幫助設(shè)計(jì)人員為其應(yīng)用選擇最佳基準(zhǔn)電壓源。

理想

理想的基準(zhǔn)電壓源具有完美的初始精度，并保持其電壓，而不受負(fù)載電流、溫度和時(shí)間變化的影響。在現(xiàn)實(shí)世界中，設(shè)計(jì)人員必須權(quán)衡以下因素：初始電壓精度、電壓溫度漂移和遲滯、電流源和灌電流能力、靜態(tài)電流（或功耗）、長期穩(wěn)定性、噪聲和成本。

參考類型

兩種最常見的基準(zhǔn)電壓源類型是齊納和帶隙12, 13.齊納二極管通常用于雙端子分流拓?fù)?。帶隙基?zhǔn)電壓源通常用于三端串聯(lián)拓?fù)洹?/p>

齊納二極管和并聯(lián)拓?fù)?/p>

齊納二極管是針對(duì)反向偏置擊穿區(qū)域工作而優(yōu)化的二極管。由于擊穿相對(duì)恒定，因此可以通過在相反方向上驅(qū)動(dòng)已知電流來產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源。

齊納二極管的一大優(yōu)勢是電壓范圍廣，從2V到200V。它們還具有廣泛的功率處理能力，從幾毫瓦到幾瓦。

齊納二極管的主要缺點(diǎn)是它們對(duì)于高精度應(yīng)用來說不夠精確，并且它們的功耗使其難以適應(yīng)低功耗應(yīng)用。一個(gè)例子是BZX84C2V7LT1G，其擊穿或標(biāo)稱基準(zhǔn)電壓為2.5V，變化范圍為2.3V至2.7V，精度為±8%。這僅適用于需要很少精度的應(yīng)用。

齊納基準(zhǔn)電壓源的另一個(gè)問題是輸出阻抗。上面的例子在100mA時(shí)的內(nèi)部阻抗為5Ω，在600mA時(shí)的內(nèi)部阻抗為1Ω。非零阻抗會(huì)導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓的額外變化，具體取決于負(fù)載電流的變化。選擇具有低輸出阻抗的齊納二極管可將這種影響降至最低。

埋入式齊納二極管是一種特殊類型的齊納二極管，由于其結(jié)構(gòu)，它們位于硅表面以下，因此比普通齊納二極管更穩(wěn)定。

實(shí)際齊納二極管的替代方案是模擬齊納二極管的有源電路。電路使器件能夠顯著改善齊納二極管的經(jīng)典限制。MAX6330就是這樣一種器件。該器件在 1μA 至 5mA 負(fù)載變化范圍內(nèi)具有 100.50% （最大值） 的極小初始精度。此類IC的典型實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

圖1.使用MAX6330作為有源電路，模擬齊納二極管。

選擇合適的分流電阻器

所有并聯(lián)配置基準(zhǔn)都需要一個(gè)與基準(zhǔn)元件串聯(lián)的限流電阻。它可以通過以下公式計(jì)算：

其中：

VIN是輸入電壓范圍
VSHUNT是調(diào)節(jié)電壓
ILOAD 是輸出電流范圍
ISHUNT 是最小分流工作電流

請(qǐng)注意，分流電路始終消耗I負(fù)荷（最大值） + I分流是否存在負(fù)載。

相同的分流器可用于 10V在或 100V在通過正確調(diào)整 R 的大小S.為 R 選擇最大標(biāo)稱電阻值S提供最低的電流消耗。請(qǐng)記住提供安全裕度，以考慮所用電阻的最壞情況容差。您還應(yīng)該使用以下兩個(gè)一般功率公式之一來確保電阻的額定功率足夠：

PR = IIN(VIN(max) - VSHUNT)
= I2INRS
= (VIN(max) - VSHUNT)2/RS

帶隙基準(zhǔn)和串聯(lián)模式拓?fù)?/p>

并聯(lián)基準(zhǔn)和串聯(lián)基準(zhǔn)之間的主要區(qū)別在于，三個(gè)端子串聯(lián)模式基準(zhǔn)不需要外部電阻，靜態(tài)功耗顯著降低。最常見的形式是無處不在的帶隙基準(zhǔn)電壓源。

帶隙基礎(chǔ)知識(shí)

帶隙基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生兩個(gè)電壓：一個(gè)具有正溫度系數(shù)（tempco），另一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)。它們一起在輸出端有一個(gè)零溫度總和。

正溫度系數(shù)通常由兩個(gè)V的差值得出是在不同的當(dāng)前級(jí)別運(yùn)行。負(fù)溫度系數(shù)使用V的自然負(fù)溫度系數(shù)是電壓（見圖2）。

實(shí)際上，溫度和并不完全為零。根據(jù) IC 電路設(shè)計(jì)、封裝和制造測試能力等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，這些器件通?？梢詫?shí)現(xiàn) V外溫度系數(shù)在每攝氏度 1 到 100ppm 之間。

圖2.帶隙基準(zhǔn)電壓源。

Maxim的帶隙參考計(jì)算器（BGRC）用戶指南（計(jì)算器zip文件中）允許對(duì)Brokaw帶隙參考單元進(jìn)行仿真。在絕對(duì)零度至175°C的溫度下，顯示了調(diào)整帶隙的效果。 曲率校正電路也是可調(diào)的，使設(shè)計(jì)工程師能夠了解參考IC設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)背后的物理原理隨著對(duì)由此產(chǎn)生的誤差波形和幅度的理解而變得顯而易見。

分流或串聯(lián)拓?fù)涞氖褂猛ǔＳ蓱?yīng)用和所需性能決定。有關(guān)并聯(lián)拓?fù)渲械凝R納二極管與串聯(lián)拓?fù)渲械膸吨g的一些比較，請(qǐng)參見表1。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題和參考選擇

功耗

如果設(shè)計(jì)中精密系統(tǒng)，如高效率、±5%電源或功耗極低的8位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以使用MAX6025或MAX6192等器件。兩款基準(zhǔn)均為 2.5V 基準(zhǔn)，最大功耗為 35μA。它們具有非常低的輸出阻抗，因此基準(zhǔn)電壓幾乎與I無關(guān)外.

拉電流和灌電流

另一個(gè)規(guī)格是基準(zhǔn)源的源電流和吸收電流的能力。

大多數(shù)應(yīng)用需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓源來源出負(fù)載電流，當(dāng)然，基準(zhǔn)電壓源需要能夠提供所需的負(fù)載電流。它還需要提供任何I偏見或漏電流——它們的總和有時(shí)會(huì)超過負(fù)載電流。

對(duì)于MAX1110這樣的轉(zhuǎn)換器，ADC和DAC通常需要數(shù)十微安電流，而對(duì)于AD10這樣的器件，通常需要7886mA （最大值）。MAX6100–MAX6107系列基準(zhǔn)提供5mA電流，吸收2mA電流。對(duì)于非常重的負(fù)載，MAX6225/MAX6226/MAX6241/MAX6250系列的源電流和吸收電流范圍為10mA至15mA。

溫度漂移

溫度漂移通常是一個(gè)可修正的參數(shù)14, 15.這通常是一個(gè)非?？芍貜?fù)的錯(cuò)誤。校正可以通過添加校準(zhǔn)步驟或從先前表征的查找函數(shù)中讀取值來完成。

輸出電壓溫度遲滯

該參數(shù)定義為參考溫度（+25°C）下由于順序但相反的溫度偏移（即熱到冷，然后從冷到熱）引起的輸出電壓變化。由于這種效應(yīng)，可能會(huì)產(chǎn)生非常負(fù)面的影響，因?yàn)樗姆扰c系統(tǒng)所經(jīng)歷的溫度偏移成正比。在許多系統(tǒng)中，這種類型的錯(cuò)誤不是很可重復(fù)。該參數(shù)是IC電路設(shè)計(jì)以及封裝效果的函數(shù)。例如：MAX6001器件采用3引腳SOT23，典型溫度遲滯為130ppm。但更大、更穩(wěn)定的封裝，如6190引腳SO封裝的MAX8，只有75ppm。

校準(zhǔn)16, 17, 18, 19, 20

校準(zhǔn)在高分辨率系統(tǒng)中非常常見。在16位系統(tǒng)中，商用（1°C至+0°C）溫度范圍需要優(yōu)于70ppm/°C的基準(zhǔn)電壓源，以在整個(gè)范圍內(nèi)保持在±1 LSB以內(nèi)，基準(zhǔn)電壓點(diǎn)為+25°C。ΔV = （1ppm/°C × 5V × 45°C） = 255μV。這種在工業(yè)溫度范圍內(nèi)擴(kuò)展的相同溫度漂移僅對(duì)14位系統(tǒng)是可以接受的。

為什么要校準(zhǔn)、校正元件容差、增益和失調(diào)16, 17.

ADC和DAC精度和熱噪聲的免費(fèi)計(jì)算器19, 20.

仿真、去耦電容器和濾波器的設(shè)計(jì)工具（免費(fèi)或低成本）18.

校準(zhǔn)電路的想法、技巧和常見問題解答21, 22, 23, 24.

噪聲

噪聲通常由隨機(jī)熱噪聲組成，但也可能包括閃爍噪聲和其他雜散源。MAX6079、MAX6250和MAX6350都是12μV低噪聲應(yīng)用的理想選擇。P-P， 3μVP-P和 3μVP-P分別是噪聲性能。所有這些對(duì)測量的影響都小于1 LSB。人們可能會(huì)過度采樣和平均，但這是以處理器功率和增加系統(tǒng)復(fù)雜性和成本為代價(jià)的。

Maxim的《熱噪聲計(jì)算器（TNC）用戶指南》（計(jì)算器zip文件）有助于分析電阻和其他噪聲源中的熱噪聲。TNC發(fā)現(xiàn)任何器件產(chǎn)生的噪聲電壓，如果其白噪聲頻譜密度和1/f轉(zhuǎn)折頻率已知。TNC也可以在HP 50g計(jì)算器或使用免費(fèi)模擬器程序的PC上運(yùn)行。

圖3.典型頻譜噪聲密度。

熱噪聲計(jì)算器可以顯示客戶在指定帶寬上的噪聲貢獻(xiàn)。

長期穩(wěn)定性

此參數(shù)定義為電壓隨時(shí)間的變化。這主要是由于封裝或器件系列中存在的芯片應(yīng)力或離子遷移。重要的是要注意，電路板清潔度會(huì)隨著時(shí)間的推移而表現(xiàn)出長期變化;尤其是過溫濕度。這種影響有時(shí)可能大于固有的設(shè)備穩(wěn)定性。長期穩(wěn)定性通常僅在參考溫度下指定，通常為+25°C。

總結(jié)

設(shè)計(jì)任何系統(tǒng)的困難在于平衡權(quán)衡：成本、尺寸、精度、功耗等。在為設(shè)計(jì)選擇最佳基準(zhǔn)時(shí)，考慮所有相關(guān)參數(shù)非常重要。值得注意的是，由于制造階段補(bǔ)償/校準(zhǔn)成本的降低，很多時(shí)候更昂貴的組件可以降低系統(tǒng)總成本。

審核編輯：郭婷