選擇最佳的電壓基準源

摘要：電壓基準源簡單、穩定的基準電壓，作為電路設計的一個關鍵因素，電壓基準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源以及它們的關鍵特性和設計中需要考慮的問題，如精確度、受溫度的影響程度、電流驅動能力、功率消耗、穩定性、噪聲和成本。

幾乎在所有先進的電子產品中都可以找到電壓基準源，它們可能是獨立的、也可能集成在具有更多功能的器件中。例如：

• 在數據轉換器中，基準源提供了一個絕對電壓，與輸入電壓進行比較以確定適當的數字輸出。
• 在電壓調節器中，基準源提供了一個已知的電壓值，用它與輸出作比較，得到一個用于調節輸出電壓的反饋。
• 在電壓檢測器中，基準源被當作一個設置觸發點的門限。

要求什么樣的指標取決于具體應用，本文討論不同類型的電壓基準源、它們的關鍵指標和設計過程中要綜合考慮的問題。為設計人員提供了選擇最佳電壓基準源的信息。

理想情況

理想的電壓基準源應該具有完美的初始精度，并且在負載電流、溫度和時間變化時電壓保持穩定不變。實際應用中，設計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、靜態電流(即功率消耗)、長期穩定性、噪聲和成本等指標中進行權衡與折衷。

基準源的類型

兩種常見的基準源是齊納和帶隙基準源。齊納基準源通常采用兩端并聯拓撲；帶隙基準源通常采用三端串連拓撲。

齊納二極管和并聯拓撲

齊納二極管優化工作在反偏擊穿區域，因為擊穿電壓相對比較穩定，可以通過一定的反向電流驅動產生穩定的基準源。

齊納基準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，從幾個毫瓦到幾瓦。

齊納二極管的主要缺點是精確度達不到高精度應用的要求，而且，很難勝任低功耗應用的要求。例如：BZX84C2V7LT1，它的擊穿電壓，即標稱基準電壓是2.5V，在2.3V至2.7V之間變化，即精確度為±8%，這只適合低精度應用。

齊納基準源的另一個問題是它的輸出阻抗。上例中器件的內部阻抗為5mA時100Ω和1mA時600Ω。非零阻抗將導致基準電壓隨負載電流的變化而發生變化。選擇低輸出阻抗的齊納基準源將減小這一效應。

埋入型齊納二極管是一種比常規齊納二極管更穩定的特殊齊納二極管，這是因為采用了植入硅表面以下的結構。

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齊納器件的缺點。MAX6330就是一個這樣的電路。負載電流在100μA至50mA范圍變化時，具有1.5% (最大)的初始精度。此類IC的典型應用如圖1所示。


圖1.

選擇合適的并聯電阻

所有的并聯結構基準都需要一個與其串聯的限流電阻。可以按照下式選擇電阻：

(V_IN(max)-V_SHUNT(min)) / (I_SHUNT(max)+ I_LOAD(min)) < R_S < (V_IN(min) -V_SHUNT(max)) / (I_SHUNT(min) + I_LOAD(max))

其中：

V_IN是輸入電壓
V_SHUNT是調節后的電壓
I_LOAD是輸出電流
I_SHUNT是最小并聯工作電流。

注意，無論是否加有負載，并聯電路消耗的電流都是I_LOAD(max) + I_SHUNT。

選擇合適的R_S，相同的并聯基準源可以用于10Vin或100Vin。為R_S的最大標稱阻值對應于最小的電流消耗。注意，要保證一個滿足電阻誤差容限最差時的安全余量。利用下式，可確保電阻有足夠的額定功率：

P_R = I_IN(V_IN(max) - V_SHUNT)
= I²_INR_S
= (V_IN(max) - V_SHUNT)²/R_S

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帶隙基準源和串聯模式拓撲

并聯基準源和串聯基準源的最大不同是三端串聯模式電壓基準不需要外部電阻，并且靜態功耗要小得多。最常見的是帶隙基準源。

帶隙基準

帶隙基準源提供兩個電壓：一個具有正溫度系數、另一個具有負溫度系數。兩者配合使輸出溫度系數為零。

正溫度系數是由于運行在不同電流水平上兩個Vbe的差異產生的；負溫度系數來自于Vbe電壓本身的負值溫度系數(見圖2)。

在實際應用中，兩個溫度系數之和并不精確為零。這依賴于很多設計細節，如IC電路設計、封裝和制造測試等，這些器件通常可以實現每攝氏度5至100ppm的Vout溫度系數。


圖2. 帶隙電壓基準源

采用并聯還是串聯結構一般由應用和希望達到的性能決定。表1是并聯結構的齊納基準與串聯結構的帶隙基準的對照表。

表1. 電壓基準對照表

系統設計問題和基準源的選擇

功耗
如果設計中等精確度的系統，比如一個高效率、±5%電源或者是需要很小功率的8位數據采樣系統，可以使用MAX6025或MAX6192這類器件。這兩個器件都是2.5V的基準源，最大消耗電流為35μA。它們的輸出阻抗非常低，因此基準電壓幾乎完全不受I_OUT影響。

供出和吸入電流
另一個指標是基準源供出和吸入電流的能力。

大多數應用都需要電壓基準源為負載供電，當然，要求基準源有能力提供負載所需的電流。它還需要提供所有的Ibias或漏電流D這些電流之和有時會超過負載電流。

ADC和DAC所需要的典型基準源電流在幾十微安(如MAX1110)至10mA (最大值，如AD7886)。MAX6101-5系列基準源能提供5mA電流，吸入電流2mA。對于較重負載，可選擇MAX6225/41/50系列基準源，它們能提供15mA的供出和吸入電流。

溫漂
溫漂通常是一個可校準的參數。它一般是可重復性的誤差。通過校準或從以前得到的特性中查找取值可以實現這一誤差的修正。

校準對于高分辨率系統是非常有用。對一個16位系統，如果要在整個商用溫度范圍(0°C至70°C，以25°C為基準點)保持精度在±1 LSB以內，該基準源的漂移必須小于1ppm/°C，ΔV = 1ppm/°C * 5V * 45°C) = 255μV。相同的溫度漂移擴展到工業溫度范圍下只能適用于14位系統。

噪聲
噪聲通常是隨機熱噪聲，也可能包含閃爍噪聲和其它的寄生噪聲源。對于低噪聲應用MAX6150、MAX6250 和MAX6350是很好的選擇，其噪聲性能分別為35μV，3μV和3μV_P-P所有這些對測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，其代價是增加了處理器的工作負擔、提高了系統的復雜度和成本。

輸出電壓溫度遲滯
該參數定義為在參考溫度下(25°C)由于溫度連續偏移(從熱到冷，然后從冷到熱)所引起的輸出電壓的變化。這一效應將導致負面影響，因為它的幅度直接與系統所處環境的溫度偏移成比例。在許多系統中，這種誤差一般不具有可重復性，受IC電路設計和封裝的影響。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、更穩定的封裝，比如SO-8的MAX6190，該參數值只有75ppm。

長期穩定性
這個參數定義為電壓隨時間的變化，它主要是由封裝或系列器件中的管芯應力或離子遷移引起的。注意保持電路板的潔凈度，這也是一個影響長期穩定性的因素，尤其是它會隨溫度和濕度的變化而變化，這一影響有時比器件內在穩定性的影響還要大。長期穩定性通常定義在25°C參考溫度下。

總結

任何系統設計的難點都在于在成本、體積、精確度、功耗等諸多因素的平衡與折衷。為具體設計選擇最佳基準源時需要考慮所有相關參數。有趣的是，很多時候選用較貴的元件反而使系統的整體成本更低，因為它可以降低制造過程中補償和校準的花銷。

表2. Maxim電壓基準的精簡列表

1) The Art of Electronics, by Paul Horowitz & Winfield Hill, Chapter 6
2) Micro-Electronic Circuits, by Adel S. Sedra & Kenneth C. Smith