為何需要基準(zhǔn)電壓源

 

這是一個(gè)模擬世界。無論汽車、微波爐還是手機(jī)，所有電子設(shè)備都必須以某種方式與“真實(shí)”世界交互。為此，電子設(shè)備必須能夠?qū)⒄鎸?shí)世界的測量結(jié)果(速度、壓力、長度、溫度)映射到電子世界中的可測的量(電壓)。當(dāng)然，要測量電壓，您需要一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)就是基準(zhǔn)電壓。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，問題不在于是否需要基準(zhǔn)電壓源，而是使用何種基準(zhǔn)電壓源？

 

基準(zhǔn)電壓源只是一個(gè)電路或電路元件，只要電路需要，它就能提供已知電位。這可能是幾分鐘、幾小時(shí)或幾年。如果產(chǎn)品需要采集真實(shí)世界的相關(guān)信息，例如電池電壓或電流、功耗、信號(hào)大小或特性、故障識(shí)別等，那么必須將相關(guān)信號(hào)與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。每個(gè)比較器、ADC、DAC或檢測電路必須有一個(gè)基準(zhǔn)電壓源才能完成上述工作(圖1)。將目標(biāo)信號(hào)與已知值進(jìn)行比較，可以準(zhǔn)確量化任何信號(hào)。

 

圖1：ADC 的基準(zhǔn)電壓源的典型用法

 

基準(zhǔn)電壓源規(guī)格

 

基準(zhǔn)電壓源有很多形式并提供不同的特性，但歸根結(jié)底，精度和穩(wěn)定性是基準(zhǔn)電壓源最重要的特性，因?yàn)槠渲饕饔檬翘峁┮粋€(gè)已知輸出電壓。相對(duì)于該已知值的變化是誤差。基準(zhǔn)電壓源規(guī)格通常使用下述定義來預(yù)測其在某些條件下的不確定性。

 

表1：高性能基準(zhǔn)電壓源規(guī)格（部分）

 

初始精度

 

在給定溫度(通常為25°C)下測得的輸出電壓的變化。雖然不同器件的初始輸出電壓可能不同，但如果它對(duì)于給定器件是恒定的，那么很容易將其校準(zhǔn)。

 

溫度漂移

 

該規(guī)格是基準(zhǔn)電壓源性能評(píng)估使用最廣泛的規(guī)格，因?yàn)樗砻鬏敵鲭妷弘S溫度的變化。溫度漂移是由電路元件的缺陷和非線性引起的，因此常常是非線性的。

 

對(duì)于許多器件，溫度漂移 TC (以 ppm/°C 為單位) 是主要誤差源。對(duì)于具有一致漂移的器件，校準(zhǔn)是可行的。關(guān)于溫度漂移的一個(gè)常見誤解是認(rèn)為它是線性的。這導(dǎo)致了諸如“器件在較小溫度范圍內(nèi)的漂移量會(huì)較少”之類的觀點(diǎn)，然而事實(shí)常常相反。TC一般用“黑盒法”指定，以便讓人了解整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的可能誤差。它是一個(gè)計(jì)算值，僅基于電壓的最小值和最大值，并不考慮這些極值發(fā)生的溫度。

 

黑色小圓動(dòng)圖分割線

 

對(duì)于在指定溫度范圍內(nèi)具有非常好線性度的基準(zhǔn)電壓源，或者對(duì)于那些未經(jīng)仔細(xì)調(diào)整的基準(zhǔn)電壓源，可以認(rèn)為最差情況誤差與溫度范圍成比例。這是因?yàn)樽畲蠛妥钚≥敵鲭妷簶O有可能是在最大和最小工作溫度下得到的。然而，對(duì)于經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整的基準(zhǔn)電壓源(通常通過其非常低的溫度漂移來判定)，其非線性特性可能占主導(dǎo)地位。

 

例如，指定為100ppm/°C的基準(zhǔn)電壓源傾向于在任何溫度范圍內(nèi)都有相當(dāng)好的線性度，因?yàn)樵黄ヅ湟鸬钠仆耆谏w了其固有非線性。相反，指定為5ppm/°C的基準(zhǔn)電壓源，其溫度漂移將以非線性為主。

 

這在圖2所示的輸出電壓與溫度特性的關(guān)系中很容易看出。注意，其中表示了兩種可能的溫度特性。未補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源表現(xiàn)為拋物線，最小值在溫度極值處，最大值在中間。此處所示的溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓源(如LT1019)表現(xiàn)為“S”形曲線，其最大斜率接近溫度范圍的中心。在后一種情況下，非線性加劇，從而降低了溫度范圍內(nèi)的總體不確定性。

 

圖2：基準(zhǔn)電壓源溫度特性

 

溫度漂移規(guī)格的最佳用途是計(jì)算指定溫度范圍內(nèi)的最大總誤差。除非很好的理解了溫度漂移特性，否則一般不建議計(jì)算未指定溫度范圍內(nèi)的誤差。

 

長期穩(wěn)定性

 

該規(guī)格衡量基準(zhǔn)電壓隨時(shí)間變化的趨勢，與其他變量無關(guān)。初始偏移主要由機(jī)械應(yīng)力的變化引起，后者通常來源于引線框架、裸片和模塑化合物的膨脹率的差異。這種應(yīng)力效應(yīng)往往具有很大的初始偏移，爾后隨著時(shí)間推移，偏移會(huì)迅速減少。初始漂移還包含電路元件電氣特性的變化，其中包括器件特性在原子水平上的建立。更長期的偏移是由電路元件的電氣變化引起的，常常稱之為“老化”。與初始漂移相比，這種漂移傾向于以較低速率發(fā)生，并且會(huì)隨著時(shí)間推移變化速率會(huì)進(jìn)一步降低。因此，它常常用“漂移/√khr”來表示。在較高溫度下，基準(zhǔn)電壓源的老化速度往往也更快。

 

這一規(guī)格常常被忽視，但它也可能成為主要誤差源。它本質(zhì)上是機(jī)械性的，是熱循環(huán)導(dǎo)致芯片應(yīng)力改變的結(jié)果。經(jīng)過很大的溫度循環(huán)之后，在給定溫度下可以觀察到遲滯，其表現(xiàn)為輸出電壓的變化。它與溫度系數(shù)和時(shí)間漂移無關(guān)，會(huì)降低初始電壓校準(zhǔn)的有效性。

 

在隨后的溫度循環(huán)期間，大多數(shù)基準(zhǔn)電壓源傾向于在標(biāo)稱輸出電壓附近變化，因此熱遲滯通常以可預(yù)測的最大值為限。每家制造商都有自己指定此參數(shù)的方法，因此典型值可能產(chǎn)生誤導(dǎo)。估算輸出電壓誤差時(shí)，數(shù)據(jù)手冊(cè) (如 LT1790 和 LTC6652) 中提供的分布數(shù)據(jù)會(huì)更有用。

 

其他規(guī)格

 

根據(jù)應(yīng)用要求，其他可能重要的規(guī)格包括：

電壓噪聲

線性調(diào)整率/PSRR

負(fù)載調(diào)整率

壓差

電源電壓范圍

電源電流

 

基準(zhǔn)電壓源類型

 

基準(zhǔn)電壓源主要有兩類：分流和串聯(lián)。ADI的串聯(lián)和分流基準(zhǔn)電壓源參見表2。

 

表2：ADI提供的基準(zhǔn)電壓源

 

分流基準(zhǔn)電壓源

 

分流基準(zhǔn)電壓源是2端器件，通常設(shè)計(jì)為在指定電流范圍內(nèi)工作。雖然大多數(shù)分流基準(zhǔn)電壓源是帶隙類型并提供多種電壓，但可以認(rèn)為它們與齊納二極管型一樣易用，事實(shí)也確實(shí)如此。.

 

最常見的電路是將基準(zhǔn)電壓源的一個(gè)引腳連接到地，另一個(gè)引腳連接到電阻。電阻的另一個(gè)引腳連接到電阻。電阻的另一個(gè)引腳連接到電源。這樣，它實(shí)質(zhì)上變成一個(gè)三端電路。基準(zhǔn)電壓源和電阻的公共端是輸出。電阻電壓源和電阻的公共端是輸出。電阻的選擇必須適當(dāng)，使得在整個(gè)電源范圍和負(fù)載電流范圍內(nèi)，通過基準(zhǔn)電壓源的最小和最大電流都在額定范圍內(nèi)。如果電源電壓和負(fù)載電流變化不大，這些基準(zhǔn)電壓源很容易用于設(shè)計(jì)。如果其中之一或二者可能發(fā)生重大變化，通常會(huì)導(dǎo)致電路實(shí)際耗散功率比標(biāo)稱情況所需大得多。從這個(gè)意義上講，它可以被認(rèn)為像A類放大器一樣運(yùn)作。

 

黑色小圓動(dòng)圖分割線

 

分流基準(zhǔn)電壓源的有點(diǎn)包括：設(shè)計(jì)簡單，封裝小，在寬電流和負(fù)載條件下具有良好的穩(wěn)定性。此外，它很容易設(shè)計(jì)為負(fù)基準(zhǔn)電壓源，并且可以配合非常高的電源電壓使用（因?yàn)橥獠侩娮钑?huì)分?jǐn)偞蟛糠蛛娢?，或配合非常低的電源電壓使用(因?yàn)檩敵隹梢詢H低于電源電壓幾毫伏)。ADI提供的分流產(chǎn)品包括 LT1004、LT1009、LT1389、LT1634、LM399 和 LTZ1000。典型分流電路如圖3所示。

 

圖3：分流基準(zhǔn)電壓源

 

串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源

 

串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源是三(或更多)端器件。它更像低壓差(LDO)穩(wěn)壓器，因此其許多優(yōu)點(diǎn)是相同的。最值得注意的是，其在很寬的電源電壓范圍內(nèi)消耗相對(duì)固定的電源電流，并且只在負(fù)載需要時(shí)才傳導(dǎo)負(fù)載電流。這使其成為電源電壓或負(fù)載電流有較大變化的電路的理想選擇。它在負(fù)載電流非常大的電路中特別有用，因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓源和電源之間沒有串聯(lián)電阻。

 

ADI提供的串聯(lián)產(chǎn)品包括LT1460、LT1790、LT1461、LT1021、LT1236、LT1027、LTC6652、LT6660等等。LT1021和LT1019等產(chǎn)品可以用作分流或串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源。串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源電路如圖4所示。

 

圖4：串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源

 

基準(zhǔn)電壓源電路

 

有許多方法可以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電壓源IC。每種方法都有特定的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

 

基于齊納二極管的基準(zhǔn)電壓源

 

深埋齊納型基準(zhǔn)電壓源是一種相對(duì)簡單的設(shè)計(jì)。齊納(或雪崩)二極管具有可預(yù)測的反向電壓，該電壓具有相當(dāng)好的溫度穩(wěn)定性和非常好的時(shí)間穩(wěn)定性。如果保持在較小溫度范圍內(nèi)，這些二極管通常具有非常低的噪聲和非常好的時(shí)間穩(wěn)定性，因此其適用于基準(zhǔn)電壓變化必須盡可能小的應(yīng)用。

 

與其他類型的基準(zhǔn)電壓源電路相比，這種穩(wěn)定性可歸因于元件數(shù)量和芯片面積相對(duì)較少，而且齊納元件的構(gòu)造很精巧。然而，初始電壓和溫度漂移的變化相對(duì)較大，這很常見。可以增加電路來補(bǔ)償這些缺陷，或者提供一系列輸出電壓。分流和串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源均使用齊納二極管。

 

黑色小圓動(dòng)圖分割線

 

LT1021、LT1236和LT1027等器件使用內(nèi)部電流源和放大器來調(diào)節(jié)齊納電壓和電流，以提高穩(wěn)定性，并提供多種輸出電壓，如5V、7V和10V。這種附加電路使齊納二極管與很多應(yīng)用電路兼容性更好，但需要更大的電源裕量，并可能引起額外的誤差。

 

另外，LM399和LTZ1000使用內(nèi)部加熱元件和附加晶體管來穩(wěn)定齊納二極管的溫度漂移，實(shí)現(xiàn)溫度和時(shí)間穩(wěn)定性的最佳組合。此外，這些基于齊納二極管的產(chǎn)品具有極低的噪聲，可提供最佳性能。LTZ1000的溫度漂移為 0.05ppm/°C，長期穩(wěn)定性為2µV/√kHr，噪聲為1.2µVP-P。為了便于理解，以實(shí)驗(yàn)室儀器為例，噪聲和溫度引起的LTZ1000基準(zhǔn)電壓的總不確定性只有大約1.7ppm，加上老化引起的每月不到1ppm。

 

帶隙基準(zhǔn)電壓源

 

齊納二極管雖然可用于制作高性能基準(zhǔn)電壓源，但缺乏靈活性。具體而言，它需要7V以上的電源電壓，而且提供的輸出電壓相對(duì)較少。相比之下，帶隙基準(zhǔn)電壓源可以產(chǎn)生各種各樣的輸出電壓，電源裕量非常小—通常小于100mV。帶隙基準(zhǔn)電壓源可設(shè)計(jì)用來提供非常精確的初始輸出電壓和很低的溫度漂移，無需耗時(shí)的應(yīng)用中校準(zhǔn)。

 

帶隙操作基于雙極結(jié)型晶體管的基本特性。圖5所示為一個(gè)基本帶隙基準(zhǔn)電壓源—LT1004電路的簡化版本?？梢钥闯?，一對(duì)不匹配的雙極結(jié)型晶體管的VBE具有與溫度成正比的差異。這種差異可用來產(chǎn)生一個(gè)電流，其隨溫度線性上升。當(dāng)通過電阻和晶體管驅(qū)動(dòng)該電流時(shí)，如果其大小合適，晶體管的基極-發(fā)射極電壓隨溫度的變化會(huì)抵消電阻兩端的電壓變化。雖然這種抵消不是完全線性的，但可以通過附加電路進(jìn)行補(bǔ)償，使溫度漂移非常低。

 

圖5：設(shè)計(jì)帶隙電路提供理論上為零的溫度系數(shù)

 

基本帶隙基準(zhǔn)電壓源背后的數(shù)學(xué)原理很有意思，因?yàn)樗鼘⒁阎獪囟认禂?shù)與獨(dú)特的電阻率相結(jié)合，產(chǎn)生理論上溫度漂移為零的基準(zhǔn)電壓。圖5顯示了兩個(gè)晶體管，經(jīng)調(diào)整后，Q10的發(fā)射極面積為Q11的10倍，而Q12和Q13的集電極電流保持相等。這就在兩個(gè)晶體管的基極之間產(chǎn)生一個(gè)已知電壓：

 

 

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，單位為 J/K(1.38 × 10-23),T 為開氏溫度 (273 + T (°C))；q 為電子電荷，單位為庫侖(1.6x10-19)。在 25°C 時(shí)， kT/q 的值為 25.7mV，正溫度系數(shù)為 86μV/°C。?VBE 為此電壓乘以 ln(10) 或 2.3，25°C時(shí) 電壓約為 60mV，溫度系數(shù)為 0.2mV/°C。

 

將此電壓施加到基極之間連接的50k電阻，產(chǎn)生一個(gè)與溫度成比例的電流。該電流偏置二極管Q14，25°C時(shí)其電壓為575mV，溫度系數(shù)為-2.2mV/°C。電阻用于產(chǎn)生具有正溫度系數(shù)的壓降，其施加到Q14二極管電壓上，從而產(chǎn)生大約1.235V的基準(zhǔn)電壓電位，理論上溫度系數(shù)為0mV/°C。這些壓降如圖5所示。電路的平衡提供偏置電流和輸出驅(qū)動(dòng)。

 

黑色小圓動(dòng)圖分割線

 

ADI生產(chǎn)各種各樣的帶隙基準(zhǔn)電壓源，包括小型廉價(jià)精密串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源LT1460、超低功耗分流基準(zhǔn)電壓源LT1389以及超高精度、低漂移基準(zhǔn)電壓源LT1461和LTC6652?？捎幂敵鲭妷喊?.2V、1.25V、2.048V、2.5V、3.0V、3.3V、4.096V、4.5V、5V和10V。這些基準(zhǔn)電壓可以在很寬范圍的電源和負(fù)載條件下提供，并且電壓和電流開銷極小。產(chǎn)品可能具有非常高的精度，例如 LT1461、LT1019、 LTC6652 和 LT1790；尺寸可能非常小，例如 LT1790 和 LT1460 (SOT23)，或采用 2 m m× 2 m m D F N 封裝的 LT6660；或者功耗非常低，例如 LT1389，其功耗僅需 800nA。雖然齊納基準(zhǔn)電壓源在噪聲和長期穩(wěn)定性方面往往具有更好的性能，但新的帶隙基準(zhǔn)電壓源正在縮小差距，例如 LTC6652 的峰峰值噪聲 (0.1Hz 至 10Hz) 為 2ppm。

 

分?jǐn)?shù)帶隙基準(zhǔn)電壓源

 

這種基準(zhǔn)電壓源基于雙極晶體管的溫度特性設(shè)計(jì)，但輸出電壓可以低至幾毫伏。它適用于超低電壓電路，特別是閾值必須小于常規(guī)帶隙電壓(約 1.2V)的比較器應(yīng)用。

 

圖6所示為LM10的核心電路，同正常帶隙基準(zhǔn)電壓源相似，其中結(jié)合了與溫度成正比和成反比的元件，以獲得恒定的200mV基準(zhǔn)電壓。分?jǐn)?shù)帶隙基準(zhǔn)電壓源通常使用?VBE產(chǎn)生一個(gè)與溫度成正比的電流，使用VBE產(chǎn)生一個(gè)與溫度成反比的電流。二者以適當(dāng)?shù)谋壤谝粋€(gè)電阻元件中合并，以產(chǎn)生不隨溫度變化的電壓。電阻大小可以更改，從而改變基準(zhǔn)電壓而不影響溫度特性。這與傳統(tǒng)帶隙電路的不同之處在于，分?jǐn)?shù)帶隙電路合并電流，而統(tǒng)電路傾向于合并電壓，通常是基極-發(fā)射極電壓和具有相反 TC 的 I•R。

 

圖6：200mV 基準(zhǔn)電壓源電路

 

像LM10電路這樣的分?jǐn)?shù)帶隙基準(zhǔn)電壓源在某些情況下同樣是基于減法。LT6650具有400mV的此類基準(zhǔn)電壓，并且配有一個(gè)放大器。因此，可以通過改變放大器的增益來改變基準(zhǔn)電壓，并提供一個(gè)緩沖輸出。使用這種簡單電路可以產(chǎn)生低于電源電壓0.4V至幾毫伏的任何輸出電壓。

 

圖7：LT6700 支持與低至 400mV 的閾值進(jìn)行比較

 

LT6700(圖7)和LT6703是集成度更高的解決方案，其將400mV基準(zhǔn)電壓源與比較器相結(jié)合，可用作電壓監(jiān)控器或窗口比較器。400mV基準(zhǔn)電壓源可以監(jiān)控小輸入信號(hào)，從而降低監(jiān)控電路的復(fù)雜性；它還能監(jiān)控采用非常低電源電壓工作的電路元件。如果閾值較大，可以添加一個(gè)簡單的電阻分壓器(圖8)。這些產(chǎn)品均采用小尺寸封裝(SOT23)，功耗很低(低于 10μA)，支持寬電源范圍 (1.4V 至 18V)。此外，LT6700 提供 2mm x 3mm DFN 封裝，LT6703 提供 2mm x 2mm DFN 封裝。

 

圖8：通過輸入電壓分壓來設(shè)置較高閾值

 

選擇基準(zhǔn)電壓源

 

了解所有這些選項(xiàng)之后，如何為應(yīng)用選擇恰當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源呢？以下是一些用來縮小選擇范圍的竅門：

 

電源電壓是否非常高？選擇分流基準(zhǔn)電壓源。

電源電壓或負(fù)載電流的變化范圍是否很大？選擇串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源。

是否需要高功效比？選擇串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源。

 

確定實(shí)際溫度范圍。對(duì)于各種溫度范圍，包括0°C至70°C、-40°C至85°C和-40°C至125°C，ADI提供規(guī)格和工作性能保證。

 

精度要求應(yīng)切合實(shí)際。了解應(yīng)用所需的精度非常重要。這有助于確定關(guān)鍵規(guī)格?？紤]到這一要求，將溫度漂移乘以指定溫度范圍，加上初始精度誤差、熱遲滯和預(yù)期產(chǎn)品壽命期間的長期漂移，減去任何將在出廠時(shí)校準(zhǔn)或定期重新校準(zhǔn)的項(xiàng)，便得到總體精度。對(duì)于要求最苛刻的應(yīng)用，還可以增加噪聲、電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率誤差。例如，一個(gè)基準(zhǔn)電壓源的初始精度誤差為0.1%(1000ppm)，-40°C至85°C范圍內(nèi)的溫度漂移為25ppm/°C，熱遲滯為200ppm，峰峰值噪聲為2ppm，時(shí)間漂移為 50ppm/√kHr則在電路建成時(shí)總不確定性將超過4300ppm。在電路通電后的前 1000小時(shí)，這種不確定性增加50ppm。初始精度可以校準(zhǔn)，從而將誤差降低至3300ppm+50ppm•√(t/1000小時(shí))。

 

實(shí)際電源范圍是什么？最大預(yù)期電源電壓是多少？是否存在基準(zhǔn)電壓源IC必須承受的故障情況，例如電池電源切斷或熱插拔感應(yīng)電源尖峰等？這可能會(huì)顯著減少可選擇的基準(zhǔn)電壓源數(shù)量。

 

基準(zhǔn)電壓源的功耗可能是多少？基準(zhǔn)電壓源往往分為幾類：大于1mA，~500μA，<300μA，<50μA，<10μA，<1μA。

 

負(fù)載電流有多大？負(fù)載是否會(huì)消耗大量電流或產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓源必須吸收的電流？很多基準(zhǔn)電壓源只能為負(fù)載提供很小電流，很少基準(zhǔn)電壓源能夠吸收大量電流。負(fù)載調(diào)整率規(guī)格可以有效說明這個(gè)問題。

 

安裝空間有多少？基準(zhǔn)電壓源的封裝多種多樣，包括金屬帽殼、塑料封裝 (DIP、SOIC、SOT)和非常小的封裝，例如采 用 2mm x 2mm DFN 的 LT6660。人們普遍認(rèn)為，較大封裝的基準(zhǔn)電壓源因機(jī)械應(yīng)力引起的誤差要小于較小封裝的基準(zhǔn)電壓源。雖然確有某些基準(zhǔn)電壓源在使用較大封裝時(shí)性能更好，但有證據(jù)表明，性能差異與封裝大小沒有直接關(guān)系。更有可能的是，由于采用較小封裝的產(chǎn)品使用的芯片較小，所以必須對(duì)性能進(jìn)行某種取舍以適應(yīng)芯片上的電路。通常，封裝的安裝方法對(duì)性能的影響比實(shí)際封裝還要大，密切注意安裝方法和位置可以最大限度地提高性能。此外，當(dāng) PCB 彎曲時(shí)，占位面積較小的器件相比占位面積較大的器件，應(yīng)力可能更小。

 

結(jié)論

 

ADI提供廣泛的基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)品，包括串聯(lián)和分流基準(zhǔn)電壓源，設(shè)計(jì)方案有齊納二極管、帶隙和其他類型?；鶞?zhǔn)電壓源有多種性能和溫度等級(jí)，以及幾乎所有已知的封裝類型。從最高精度產(chǎn)品到小型廉價(jià)產(chǎn)品，應(yīng)有盡有。憑借龐大的基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)品庫，ADI的基準(zhǔn)電壓源可滿足幾乎所有應(yīng)用的需求。