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：1)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,；2)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,；3)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(mén)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(guò)程中要綜合考慮的問(wèn)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,。

　　兩種常見(jiàn)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)洌瑤痘鶞?zhǔn)源通常采用三端串連拓?fù)?。齊納二極管和并聯(lián)拓?fù)?br />
　　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(guò)一定的反向電流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)源,。
 

                                          圖1

　　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(wèn)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,。

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：

　　(VIN(max)-VSHUNT(min))/(ISHUNT(max)+ILOAD(min))S<(VIN(min)-VSHUNT(max))/(ISHUNT(min)+ILOAD(max))

　　其中,，VIN是輸入電壓，VSHUNT是調(diào)節(jié)后的電壓,，LOAD是輸出電流,，ISHUNT是最小并聯(lián)工作電流。注意,，無(wú)論是否加有負(fù)載,，并聯(lián)電路消耗的電流都是ILOAD(max)+SHUNT。選擇合適的RS,，相同的并聯(lián)基準(zhǔn)源可以用于10Vin或100Vin,。為RS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：PR=IIN(VIN(max)-VSHUNT)=I2INRS=(VIN(max)-VSHUNT)2/RS

帶隙基準(zhǔn)源和串聯(lián)模式拓?fù)?/strong>

　　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(jiàn)的是帶隙基準(zhǔn)源。

　　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(lái)自于Vbe電壓本身的負(fù)值溫度系數(shù)(見(jiàn)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)。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,。



系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題和基準(zhǔn)源的選擇

1.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IOUT影響,。

2.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(guò)負(fù)載電流。

圖2：帶隙電壓基準(zhǔn)源,。

　　ADC和DAC所需要的典型基準(zhǔn)源電流在幾十微安(如MAX1110)至10毫安(最大值,，如AD7886)。MAX6101-05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,。

3.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(guò)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(0～70℃,，以25℃為基準(zhǔn)點(diǎn))保持精度在±1LSB以內(nèi)，該基準(zhǔn)源的漂移必須小于1ppm/℃,，ΔV=1ppm/℃×5V×45℃=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)。

4.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3μVp-p,。所有這些對(duì)測(cè)量引入的噪聲都小于1LSB?？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。5.輸出電壓溫度遲滯

　　該參數(shù)定義為在參考溫度下(25℃)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,，三引腳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,。

6.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℃參考溫度下。

本文小結(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^(guò)程中補(bǔ)償和校準(zhǔn)的花銷,。