电压基准源类型和应用

一路上

一、前言

电压基准源简单、稳定的基准电压，作为电路设计的一个关键因素，电压基准源的选择需要考虑多方面的问题并作出折衷。不同类型的电压基准源以及它们的关键特性和设计中需要考虑的问题，如精确度、受温度的影响程度、电流驱动能力、功率消耗、稳定性、噪声和成本。

几乎在所有先进的电子产品中都可以找到电压基准源，它们可能是独立的、也可能集成在具有更多功能的器件中。例如：

• 在数据转换器中，基准源提供了一个绝对电压，与输入电压进行比较以确定适当的数字输出。
• 在电压调节器中，基准源提供了一个已知的电压值，用它与输出作比较，得到一个用于调节输出电压的反馈。
• 在电压检测器中，基准源被当作一个设置触发点的门限。
  

理想的电压基准源应该具有完美的初始精度，并且在负载电流、温度和时间变化时电压保持稳定不变。实际应用中，设计人员必须在初始电压精度、电压温漂、迟滞以及供出/吸入电流的能力、静态电流(即功率消耗)、长期稳定性、噪声和成本等指标中进行权衡与折衷。

二、基准源的类型

两种常见的基准源是齐纳和带隙基准源。齐纳基准源通常采用两端并联拓扑；带隙基准源通常采用三端串连拓扑。

齐纳二极管和并联拓扑

齐纳二极管优化工作在反偏击穿区域，因为击穿电压相对比较稳定，可以通过一定的反向电流驱动产生稳定的基准源。

齐纳基准源的最大好处是可以得到很宽的电压范围，2V到200V。它们还具有很宽范围的功率，从几个毫瓦到几瓦。

齐纳二极管的主要缺点是精确度达不到高精度应用的要求，而且，很难胜任低功耗应用的要求。

齐纳基准源的另一个问题是它的输出阻抗。上例中器件的内部阻抗为5mA时100Ω和1mA时600Ω。非零阻抗将导致基准电压随负载电流的变化而发生变化。选择低输出阻抗的齐纳基准源将减小这一效应。

埋入型齐纳二极管是一种比常规齐纳二极管更稳定的特殊齐纳二极管，这是因为采用了植入硅表面以下的结构。

作为另一种选择，可以用有源电路仿真齐纳二极管。这种电路可以显著改善传统齐纳器件的缺点。负载电流在100μA至50mA范围变化时，具有1.5% (最大)的初始精度。此类IC的典型应用如图1所示。

图1.有源电路，模拟齐纳二极管。

选择合适的并联电阻

所有的并联结构基准都需要一个与其串联的限流电阻。可以按照下式选择电阻：

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

其中：

• VIN是输入电压
• VSHUNT是调节后的电压
• ILOAD是输出电流
• ISHUNT是最小并联工作电流。
  

注意，无论是否加有负载，并联电路消耗的电流都是ILOAD(max) + ISHUNT。
选择合适的RS，相同的并联基准源可以用于10VIN或100VIN。为RS的最大标称阻值对应于最小的电流消耗。注意，要保证一个满足电阻误差容限最差时的安全余量。利用下式，可确保电阻有足够的额定功率：

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

带隙基准源和串联模式拓扑

并联基准源和串联基准源的最大不同是三端串联模式电压基准不需要外部电阻，并且静态功耗要小得多。最常见的是带隙基准源。

带隙基准

带隙基准源提供两个电压：一个具有正温度系数、另一个具有负温度系数。两者配合使输出温度系数为零。

正温度系数是由于运行在不同电流水平上两个VBE的差异产生的；负温度系数来自于VBE电压本身的负值温度系数(见图2)。

在实际应用中，两个温度系数之和并不精确为零。这依赖于很多设计细节，如IC电路设计、封装和制造测试等，这些器件通常可以实现每摄氏度5至100ppm的VOUT温度系数。

图2. 带隙电压基准源

采用并联还是串联结构一般由应用和希望达到的性能决定。表1是并联结构的齐纳基准与串联结构的带隙基准的对照表。

表1. 电压基准对照表

What	齐纳 - 并联拓扑	埋地齐纳 -  并联拓扑	带隙 - 串联拓扑
优点	•宽/高V在能够     •最适合非功率关键型应用，因为具有更高的I静态（1mA至10mA）     •1% 满量程初始精度	•宽/高V在能够     •最适合非功率关键型应用，因为具有更高的 I静态（1mA 至 10mA）     •0.01% 至 0.1% FS 初始精度	•通常较低的  V在范围     •低静态电流（μA 至 ~1mA）     •无外部电阻     •低 I 静态     •0.05% 至 1% FS 初始精度     •低压差
缺点	•始终使用电流     •需要外部电阻器     •精度较低     •只能灌电流     •高压差	•更高 I 静态比带隙	•有限 V 在范围     •通过元件损耗
陷阱	•长期稳定性	•并非所有系列器件都吸收电流	•并非所有系列器件都吸收电流

三、系统设计问题和基准源的选择

功耗

如果设计中等精确度的系统，比如一个高效率、±5%电源或者是需要很小功率的8位数据采样系统，可以使用2.5V的基准源，最大消耗电流为35μA。它们的输出阻抗非常低，因此基准电压几乎完全不受IOUT影响。

供出和吸入电流

另一个指标是基准源供出和吸入电流的能力。

大多数应用都需要电压基准源为负载供电，当然，要求基准源有能力提供负载所需的电流。它还需要提供所有的Ibias或漏电流D这些电流之和有时会超过负载电流。

ADC和DAC所需要的典型基准源电流在几十微安。基准源能提供5mA电流，吸入电流2mA；对于较重负载，可选择能提供15mA的供出和吸入电流。

温漂

温漂通常是一个可校准的参数。它一般是可重复性的误差。通过校准或从以前得到的特性中查找取值可以实现这一误差的修正。

校准对于高分辨率系统是非常有用。对一个16位系统，如果要在整个商用温度范围(0°C至+70°C，以25°C为基准点)保持精度在±1 LSB以内，该基准源的漂移必须小于1ppm/°C，ΔV = 1ppm/°C x 5V x 45°C) = 255μV。相同的温度漂移扩展到工业温度范围下只能适用于14位系统。

噪声

噪声通常是随机热噪声，也可能包含闪烁噪声和其它的寄生噪声源。可以用多次采样然后取平均的方法减小噪声，其代价是增加了处理器的工作负担、提高了系统的复杂度和成本。

图3.典型频谱噪声密度。

输出电压温度迟滞

该参数定义为在参考温度下(25°C)由于温度连续偏移(从热到冷，然后从冷到热)所引起的输出电压的变化。这一效应将导致负面影响，因为它的幅度直接与系统所处环境的温度偏移成比例。在许多系统中，这种误差一般不具有可重复性，受IC电路设计和封装的影响。

长期稳定性

这个参数定义为电压随时间的变化，它主要是由封装或系列器件中的管芯应力或离子迁移引起的。注意保持电路板的洁净度，这也是一个影响长期稳定性的因素，尤其是它会随温度和湿度的变化而变化，这一影响有时比器件内在稳定性的影响还要大。长期稳定性通常定义在25°C参考温度下。

四、总结

任何系统设计的难点都在于在成本、体积、精确度、功耗等诸多因素的平衡与折衷。为具体设计选择最佳基准源时需要考虑所有相关参数。有趣的是，很多时候选用较贵的元件反而使系统的整体成本更低，因为它可以降低制造过程中补偿和校准的花销。