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。可以按照下式選擇電阻：

(VIN(max)-VSHUNT(min)) / (ISHUNT(max)+ ILOAD(min)) < RS < (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
ILOAD是輸出電流
ISHUNT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ILOAD(max) + ISHUNT。

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)?/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，這些器件通常可以實(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

What	Zener - Shunt Topology	Buried Zener - Shunt Topology	Band-Gap - Series Topology
Pro's	Wide/high Vin capable Best for non-power critical applications due to higher Iquiescent (1-10mA) >1% FS initial Accy.	Wide/high Vin capable Best for non-power critical applications due to higher Iquiescent (1-10mA) 0.01% to 0.1% FS Initial Accy	Typically lower Vin range Low Quiescent current(uA to ~1mA) No ext resistor Lower Iquiescent 0.05% to 1% FS initial Accy Low dropout voltages
Con's	Current is always used Requires external resistor Lower precision Can only sink current High dropout voltage	Higher Iquiescent than bandgaps	Limited Vin range Pass element losses
Gotcha's	Long-Term stability	Not all Series devices sink current	Not all Series devices sink current

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IOUT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3μVP-P所有這些對(duì)測(cè)量引入的噪聲都小于1 LSB。可以用多次采樣然后取平均的方法減小噪聲，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

Part Number	Output Voltage (V)	Supply Voltage Range (V)	Temp. Drift (ppm/°C max)	Initial Accuracy TA=+25°C (% F.S. max)	Quiescent Current (mA max)	0.1Hz to 10Hz Noise(μVp-p), max (typ)	Package Options	Temp. Ranges*
MAX6160	Adj.(1.23 to 12.4)	2.7 to 12.6	100	1	100μA	(15)	SOT143, SO	E
MAX6120	1.2	2.4 to 11	100	1	70μA	(10)	SOT23, SO	E
MAX6520	1.2	2.4 to 12.6	50	1	70μA	(10)	SOT23, SO	E
MAX6001	1.25	2.5 to 12.6	100	1	45μA	25	SOT23	E
MAX6012	1.25	2.5 to 12.6	20 to 30	0.3 to 0.5	35μA	25	SOT23	E
MAX6190	1.25	2.5 to 12.6	5 to 25	0.16 to 0.48	35μA	25	SO	E
MAX6021	2.048	2.5 to 12.6	20 to 30	0.2 to 0.4	35μA	40	SOT23	E
MAX6191	2.048	2.5 to 12.6	5 to 25	0.1 to 0.5	35μA	40	SO	E
MAX872	2.5	2.7 to 20	40	0.2	10μA	(60)	DIP, SO	C, E
MAX873	2.5	4.5 to 18	7 to 20	0.06 to 0.1	28μA	(16)	DIP, SO	C, E
MAX6002	2.5	2.7 to 12.6	100	1	45μA	60	SOT23	E
MAX6025	2.5	2.7 to 12.6	20 to 30	0.2 to 0.4	35μA	60	SOT23	E
MAX6125	2.5	2.7 to 12.6	50	1	100μA	(15)	SOT23, SO	E
MAX6192	2.5	2.7 to 12.6	5 to 25	0.1 to 0.4	35μA	60	SO	E
MAX6225	2.5	8 to 36	2 to 5	0.04 to 0.1	2.7	(1.5)	DIP, SO	C, E
MAX6325	2.5	8 to 36	1 to 2.5	0.04	2.7	(1.5)	DIP, SO	C, E
MAX6003	3	3.2 to 12.6	100	1	45μA	75	SOT23	E
MAX6030	3	3.2 to 12.6	20 to 30	0.2 to 0.4	35μA	75	SOT23	E
MAX6193	3	3.2 to 12.6	5 to 25	0.07 to 0.33	35μA	75	SO	E
MAX874	4.096	4.3 to 20	40	0.2	10μA	(60)	DIP, SO	C, E
MAX6004	4.096	4.3 to 12.6	100	1	45μA	100	SOT23	E
MAX6041	4.096	4.3 to 12.6	20 to 30	0.2 to 0.4	35μA	100	SOT23	E
MAX6141	4.096	4.3 to 12.6	50	1	105μA	(25)	SOT23, SO	E
MAX6198	4.096	4.3 to 12.6	5 to 25	0.05 to 0.24	35μA	100	SO	E
MAX6241	4.096	8 to 36	2 to 5	0.025 to 0.1	2.9	(2.4)	DIP, SO	C, E
MAX6341	4.096	8 to 36	1 to 2.5	0.025	2.9	(1.5)	DIP, SO	C, E
MAX6045	4.5	4.7 to 12.6	20 to 30	0.2 to 0.4	35μA	110	SOT23	E
MAX6145	4.5	4.7 to 12.6	50	1	105μA	(30)	SOT23, SO	E
MAX6194	4.5	4.7 to 12.6	5 to 25	0.04 to 0.22	35μA	110	SO	E
MAX675	5	8 to 33	12 to 20	0.15	1.4	15	TO-99, DIP, SO	C, E
MAX875	5	7 to 18	7 to 20	0.06 to 0.1	0.28	(32)	DIP, SO	C, E
MAX6005	5	5.2 to 12.6	100	1	45μA	120	SOT23	E
MAX6050	5	5.2 to 12.6	20 to 30	0.2 to 0.4	35μA	120	SOT23	E
MAX6150	5	5.2 to 12.6	50	1	110μA	(35)	SOT23, SO	E
MAX6195	5	5.2 to 12.6	5 to 25	0.04 to 0.2	35μA	120	SO	E
MAX6250	5	8 to 36	2 to 5	0.02 to 0.1	3	(3)	DIP, SO	C, E
MAX6350	5	8 to 36	1 to 2.5	0.02	3	(1.5)	DIP, SO	C, E
REF02	5	8 to 33	8.5 to 250	0.3 to 2	1.4	15	TO-99, DIP, SO	C