带隙基准电压源(如何选择基准电压源)

为什么需要基准电压源？

这是一个模拟世界。所有的电子设备，无论是汽车、微波炉还是手机，都必须以某种方式与“真实”世界互动。因此，电子设备必须能够将真实世界的测量结果(速度、压力、长度、温度)映射到电子世界中可测量的量(电压)。当然，要测量电压，你需要一个测量标准。这个标准是参考电压。对于系统设计人员来说，问题不是需要不需要基准电压，而是用什么基准电压？

参考电压源只是一个电路或电路元件，只要电路需要，它就能提供一个已知的电位。这可能是几分钟、几小时或几年。如果产品需要收集真实世界的相关信息，如电池电压或电流、功耗、信号大小或特征、故障识别等。，则相关信号必须与标准进行比较。每个比较器、ADC、DAC或检测电路都必须有一个基准电压源来完成上述工作(图1)。将目标信号与已知值进行比较可以准确地量化任何信号。

图一。ADC基准电压源的典型用法

参考电压源的规格

电压基准有多种形式，提供不同的特性，但归根结底，精度和稳定性是电压基准最重要的特性，因为它的主要功能是提供一个已知的输出电压。这个已知值的变化是一个误差。以下定义通常用于预测特定条件下基准电压源规格的不确定性。

初始精度

在给定温度(通常为25°C)下测得的输出电压变化。虽然不同器件的初始输出电压可能不同，但如果给定器件的初始输出电压恒定，则很容易校准。

温度漂移

该规格是基准电压源性能评估中使用最广泛的规格，因为它表明了输出电压随温度的变化。温度漂移是由电路元件的缺陷和非线性引起的，所以往往是非线性的。

对于许多器件来说，温度漂移TC(ppm/°C)是主要误差源。对于具有均匀漂移的器件，校准是可行的。一个常见的误解是温度漂移是线性的。这就导致了“温度范围越小，器件的漂移就越小”的观点，但事实往往相反。TC一般用“黑箱法”来规定，这样人们就可以知道在整个工作温度范围内可能出现的误差。这是一个计算值，仅基于电压的最小值和最大值，没有考虑这些极值出现时的温度。

对于在额定温度范围内具有非常好的线性度的基准电压源，或者未经仔细调整的基准电压源，最差情况误差可以认为与温度范围成比例。这是因为最大和最小输出电压可能在最大和最小工作温度下获得。然而，对于仔细调整的基准电压源(通常由其非常低的温度漂移来判断)，其非线性特性可能占主导地位。

例如，标为100 ppm/℃相反，额定为5 ppm/°C的基准电压的温度漂移主要是非线性的。

从图2所示的输出电压和温度特性之间的关系可以容易地看出这一点。注意，图中显示了两种可能的温度特性。无补偿带隙基准电压源呈抛物线形，最小值在极端温度，最大值在中间。此处所示的温度补偿带隙基准电压源(如LT1019)呈“S”形曲线，其最大斜率接近温度范围的中心。在后一种情况下，非线性加剧，从而降低温度范围内的整体不确定性。

图二。基准电压源的温度特性

漂移规格的最佳用途是计算额定温度范围内的最大总误差。除非充分了解温度漂移特性，否则一般不建议计算未指定温度范围内的误差。

长期稳定性

该规格测量基准电压随时间的变化趋势，不考虑其它变量。初始偏差主要是由机械应力的变化引起的，机械应力的变化通常来源于引线框架、管芯和塑封料的膨胀率的差异。这种应力效应往往初始偏差较大，然后随着时间的推移偏差会迅速减小。初始漂移还包括电路元件电学特性的变化，包括原子级器件特性的建立。长期偏离是由电路元件的电气变化引起的，也就是常说的“老化”。与初始漂移相比，这种漂移倾向于以较低的速率发生，并且变化率将随着时间进一步降低。所以经常用“漂移/√khr”来表示。温度越高，参考电压源的老化速度越快。

这一规范经常被忽视，但它也可能成为主要的误差源。它本质上是机械的，是热循环引起芯片应力变化的结果。经过一个大的温度循环后，在给定的温度下可以观察到迟滞现象，它显示了输出电压的变化。与温度系数和时间漂移无关，温度系数和时间漂移会降低初始电压校准的有效性。

在随后的温度周期中，大多数基准电压源往往会在标称输出电压附近变化，因此热滞通常被限制在一个可预测的最大值。每个制造商都有自己指定该参数的方法，因此典型值可能会产生误导。估计输出电压误差时，数据手册(如LT1790和LTC6652)中提供的分布数据会更有用。

其他规格

根据应用要求，其他重要的规格包括:

电压噪声

线性调整率/PSRR

负载调整率

压力差

电源电压范围

源电流

参考电压源类型

基准电压源主要有两种类型:并联和串联。

并联参考电压源

分流基准电压源是一个双端器件，通常设计为在指定的电流范围内工作。虽然大多数分流基准电压源都是带隙型的，并提供多种电压，但可以认为它们与齐纳二极管型一样易于使用，事实也的确如此。.

最常见的电路是将基准电压源的一个引脚接地，另一个引脚连接一个电阻。电阻器的另一个引脚连接到电阻器。电阻器的另一个引脚连接到电源。这样本质上就变成了三端电路。参考电压源和电阻的公共端是输出端。电压源和电阻的公共端是输出端。必须正确选择电阻，使通过基准电压源的最小和最大电流在整个电源范围和负载电流范围内都在额定范围内。如果电源电压和负载电流变化很小，这些基准电压源可以很容易地用于设计。如果其中一个或两个发生显著变化，通常会导致电路的实际功耗比标称情况下所需的功耗大得多。在这个意义上，它可以被认为是像一个A类放大器。

并联基准电压源的优点包括:设计简单，体积小，在宽电流和负载条件下稳定性好。此外，它可以很容易地设计为负基准电压源，并且可以与非常高的电源电压(因为外部电阻将分担大部分电势)或非常低的电源电压(因为输出可以仅比电源电压低几毫伏)一起使用。林格特公司提供的分流产品有LT1004、LT1009、LT1389、LT1634、LM399、LTZ1000。典型分流电路如图3所示。

图3。分流基准电压源

串联参考电压源

串联电压基准是一种三端(或更多端)器件。它更像一个低压差(LDO)调节器，所以它的许多优点是相同的。最值得注意的是，它在较宽的电源电压范围内消耗相对固定的电源电流，仅在负载需要时传导负载电流。这使得它成为电源电压或负载电流变化较大的电路的理想选择。它在负载电流非常高的电路中特别有用，因为基准电压源和电源之间没有串联电阻。

林格特公司提供的系列产品包括LT1460、LT1790、LT1461、LT1021、LT1236、LT1027、LTC6652、LT6660等。LT1021和LT1019等产品可以用作并联或串联基准电压源。串联基准电压电路如图4所示。

图4。系列参考

参考电压源电路

有许多方法可以设计基准IC。每种方法都有特定的优点和缺点。

基于齐纳二极管的基准电压源

嵌入式齐纳基准电压源是一种相对简单的设计。齐纳(或雪崩)二极管具有可预测的反向电压，具有相当好的温度稳定性和非常好的时间稳定性。如果保持在较小的温度范围内，这些二极管通常具有非常低的噪声和非常好的时间稳定性，因此适合基准电压变化必须尽可能小的应用。

与其他类型的电压基准电路相比，这种稳定性可以归功于相对较少的元件数量和芯片面积，以及齐纳元件的精巧结构。然而，初始电压和温度漂移变化很大是很常见的。可以添加电路来补偿这些缺陷，或者提供一系列输出电压。并且分流电压基准和串联电压基准都使用齐纳二极管。

LT1021、LT1236和LT1027等器件使用内部电流源和放大器来调节齐纳电压和电流，以提高稳定性，并提供各种输出电压，如5V、7V和10V。这个附加电路使齐纳二极管与许多应用电路更加兼容，但它需要更大的电源裕量，并可能导致额外的误差。

此外，LM399和LTZ1000使用内部加热元件和附加晶体管来稳定齐纳二极管的温度漂移，实现温度和时间稳定性的最佳组合。此外，这些基于齐纳二极管的产品具有极低的噪声，可以提供最佳性能。LTZ1000的温度漂移为0.05 ppm/°C，长期稳定性为2v/√ khr，噪声为1.2vp-p..为了便于理解，以实验室仪器为例，由噪声和温度引起的LTZ1000参考电压的总不确定度只有1.7ppm左右，加上老化引起的每月不到1ppm。

带隙基准电压源

虽然齐纳二极管可用于制造高性能基准电压源，但它缺乏灵活性。具体来说，它需要大于7V的电源电压，并且提供相对小的输出电压。相比之下，带隙基准电压源可以产生各种输出电压，电源裕量非常小，通常小于100mV。可以设计带隙基准电压源，以提供非常精确的初始输出电压和低温度漂移，而无需在应用中进行耗时的校准。

带隙操作基于双极结型晶体管的基本特性。图5显示了基本带隙基准电压源LT1004电路的简化版本。可以看出，一对失配双极结型晶体管的VBE具有与温度成比例的差异。这种差异可用于产生随温度线性上升的电流。当这个电流被驱动通过一个电阻和一个晶体管时，如果其大小合适，晶体管的基极-发射极电压随温度的变化将抵消电阻两端的电压变化。虽然这种失调不是完全线性的，但可以通过附加电路进行补偿，因此温度漂移非常低。

图5。设计带隙电路以提供理论上为零的温度系数。

基本带隙基准电压源背后的数学原理非常有趣，因为它将已知的温度系数与独特的电阻率相结合，以产生零理论温度漂移的基准电压。图5显示了两个晶体管。调整后，Q10的发射极面积是Q11的10倍，而Q12和Q13的集电极电流保持相等。这在两个晶体管的基极之间产生一个已知的电压:

其中K是玻尔兹曼常数，单位为J/K (1.38× 10-23)，T是开尔文温度(273+T(C))；q是以库仑(1.6x10-19)为单位的电子电荷。25°C时，kT/q为25.7mV，正温度系数为86μv/°C..VBE乘以ln(10)或2.3。25°C时的电压约为60mV，温度系数为0.2mV/°C。

该电压施加到基极之间连接的50k电阻上，产生与温度成比例的电流。25°C时，电流偏置二极管Q14的电压为575mV，温度系数为-2.2mV/°C。电阻用于产生具有正温度系数的压降，该压降施加于Q14二极管电压，产生约1.235V的基准电压，理论温度系数为0mV/°C。这些压降如图5所示。电路的平衡提供偏置电流和输出驱动。

Lingerte公司生产各种带隙基准电压源，包括小型廉价的串联基准电压源LT1460、超低功耗分离基准电压源LT1389、超高精度低漂移基准电压源LT1461和LTC6652。可用的输出电压包括1.2V、1.25V、2.048V、2.5V、3.0V、3.3V、4.096V、4.5V、5V和10V。这些基准电压可以在各种电源和负载条件下提供，电压和电流开销极低。产品可能有非常高的精度，如LT1461、LT1019、LTC6652、LT1790;尺寸可能很小，比如LT1790和LT1460 (SOT23)，或者LT6660封装在2 m m× 2 m m D F N中；或者功耗很低的，比如LT1389，只需要800nA。虽然齐纳基准电压源在噪声和长期稳定性方面往往具有更好的性能，但新型带隙基准电压源正在缩小这一差距。例如，LTC6652的峰峰值噪声(0.1Hz至10Hz)为2ppm。

分数带隙基准电压源

该基准电压源基于双极性晶体管的温度特性设计，但输出电压可以低至几毫伏。它适用于超低电压电路，尤其适用于阈值必须低于常规带隙电压(约1.2V)的比较器应用。

图6示出了LM10的核心电路，其类似于正常带隙基准电压源，其中与温度成正比和反比的分量被组合以获得200mV的恒定基准电压。分数带隙基准电压源通常利用VBE产生与温度成正比的电流，利用VBE产生与温度成反比的电流。这两种成分以适当的比例组合在一个电阻元件中，产生不随温度变化的电压。可以改变电阻来改变参考电压，而不影响温度特性。这与传统带隙电路不同，分数带隙电路合并电流，而统一电路倾向于合并电压，通常是基极-发射极电压和具有相反TC的IR。

图6。200mV电压参考电路

在某些情况下，分数带隙基准(如LM10电路)也基于减法。LT6650的参考电压为400mV，并配有放大器。因此，可以通过改变放大器的增益来改变基准电压，并且可以提供缓冲输出。使用这个简单的电路可以产生比电源电压低0.4V至几毫伏的任何输出电压。LT6700(图7)和LT6703是集成度更高的解决方案，将400mV基准电压源与比较器相结合，可用作电压监控器或窗口比较器。400mV基准电压源可以监控小输入信号，从而降低监控电路的复杂性。它还可以监控在极低电源电压下工作的电路元件。如果阈值较大，可以增加一个简单的电阻分压器(图8)。这些产品采用小型封装(SOT23)，具有低功耗(小于10μA)和宽电源电压范围(1.4V至18V)。另外，LT6700提供2mm x 3mm DFN封装，LT6703提供2mm x 2mm DFN封装。

LT6700支持与低至400mV的阈值进行比较。

图8。通过划分输入电压来设置更高的阈值

选择基准电压源

了解所有这些选项后，如何为您的应用选择合适的基准电压源？以下是缩小选择范围的一些建议:

电源电压很高吗？选择分流基准电压。

电压或负载电流的范围宽吗？选择一个系列引用。

需要高效率比吗？选择一个系列引用。.

确定实际温度范围。适用于各种温度范围，包括0°C至70°C、-40°C至85°C和-40°C至125°C。

精度要求应该是现实的。了解应用所需的精度非常重要。这有助于确定关键规格。考虑到这一要求，总精度可以通过将温度漂移乘以额定温度范围，加上初始精度误差、热滞后和预期产品寿命期间的长期漂移，再减去工厂校准或定期重新校准的任何项目来获得。对于要求最苛刻的应用，噪声、电压调节和负载调节误差也会增加。例如，如果基准电压源的初始精度误差为0.1%(1000ppm)，从-40°C至85°C的温度漂移为25 ppm/°C，热迟滞为200ppm，峰峰值噪声为2ppm，时间漂移为50ppm/√kHr，则电路完成时总不确定度将超过4300ppm。在电路通电后的第一个1000小时内，这种不确定性会增加50ppm。可以校准初始精度，将误差降至3300 ppm+50 ppm √ (t/1000小时)。

实际供电范围是多少？最大预期电源电压是多少？参考IC有没有必须承受的故障，比如电池断电或者热插拔感应功率尖峰？这可能会显著减少可选基准电压源的数量。

基准电压源的功耗可能是多少？ 基准电压源往往分为几类：大于 1mA，~500μA，

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