为何需求基准电压源
这是一个模仿国际。不管轿车、微波炉仍是手机，一切电子设备都有必要以某种办法与“实在”国际交互。为此，电子设备有必要能够将实在国际的丈量成果 (速度、压力、长度、温度) 映射到电子国际中的可测的量 (电压)。当然，要丈量电压，您需求一个衡量规范。该规范便是基准电压。对体系规划人员而言，问题不在于是否需求基准电压源，而是运用何种基准电压源？
基准电压源仅仅一个电路或电路元件，只需电路需求，它就能供给已知电位。这或许是几分钟、几小时或几年。假如产品需求收集实在国际的相关信息，例如电池电压或电流、功耗、信号巨细或特性、毛病辨认等，那么有必要将相关信号与一个规范进行比较。每个比较器、ADC、DAC 或检测电路有必要有一个基准电压源才干完结上述作业 (图 1)。将方针信号与已知值进行比较，能够准确量化任何信号。
基准电压源标准
基准电压源有许多方式并供给不同的特性，但归根到底，精度和安稳性是基准电压源最重要的特性，因为其首要作用是供给一个已知输出电压。相关于该已知值的改动是差错。基准电压源标准一般运用下述界说来猜测其在某些条件下的不确认性。
图 1.ADC 的基准电压源的典型用法
表 1.高功能基准电压源标准
初始精度
在给定温度 (一般为 25°C) 下测得的输出电压的改动。尽管不同器材的初始输出电压或许不同，但假如它关于给定器材是安稳的，那么很简略将其校准。
温度漂移
该标准是基准电压源功能评价运用最广泛的标准，因为它标明输出电压随温度的改动。温度漂移是由电路元件的缺点和非线性引起的，因而常常对错线性的。
关于许多器材，温度漂移 TC (以 ppm/°C 为单位) 是首要差错源。关于具有共同漂移的器材，校准是可行的。关于温度漂移的一个常见误解是以为它是线性的。这导致了比如“器材在较小温度规模内的漂移量会较少”之类的观念，但是现实常常相反。TC 一般用“黑盒法”指定，以便让人了解整个作业温度规模内的或许差错。它是一个核算值，仅依据电压的最小值和最大值，并不考虑这些极值发生的温度。
关于在指定温度规模内具有十分好线性度的基准电压源，或许关于那些未经细心调整的基准电压源，能够以为最差状况差错与温度规模成份额。这是因为最大和最小输出电压极有或许是在最大和最小作业温度下得到的。但是，关于经过细心调整的基准电压源 (一般经过其十分低的温度漂移来断定)，其非线性特性或许占主导地位。
例如，指定为 100ppm/°C 的基准电压源倾向于在任何温度规模内都有相当好的线性度，因为元件不匹配引起的漂移彻底掩盖了其固有非线性。相反，指定为 5ppm/°C 的基准电压源，其温度漂移将以非线性为主。
图 2.基准电压源温度特性
基准电压源有许多方式并供给不同的特性，但归根到底，精度和安稳性是基准电压源最重要的特性，因为其首要作用是供给一个已知输出电压。相关于该已知值的改动是差错。基准电压源标准一般用来猜测其在某些条件下的不确认性。
这在图 2 所示的输出电压与温度特性的联系中很简略看出。留意，其间标明了两种或许的温度特性。未补偿的带隙基准电压源表现为抛物线，最小值在温度极值处，最大值在中心。此处所示的温度补偿带隙基准电压源 (如 LT1019) 表现为“S”形曲线，其最大斜率挨近温度规模的中心。在后一种状况下，非线性加重，然后下降了温度规模内的整体不确认性。
温度漂移标准的最佳用处是核算指定温度规模内的最大总差错。除非很好的了解了温度漂移特性，不然一般不主张核算未指定温度规模内的差错。
长时刻安稳性
该标准衡量基准电压随时刻改动的趋势，与其他变量无关。初始偏移首要由机械应力的改动引起，后者一般来源于引线结构、裸片和模塑化合物的膨胀率的差异。这种应力效应往往具有很大的初始偏移，此后跟着时刻推移，偏移会敏捷削减。初始漂移还包含电路元件电气特性的改动，其间包含器材特性在原子水平上的树立。更长时刻的偏移是由电路元件的电气改动引起的，常常称之为“老化”。与初始漂移比较，这种漂移倾向于以较低速率发生，而且会跟着时刻推移改动速率会进一步下降。因而，它常常用“漂移/√khr”来标明。在较高温度下，基准电压源的老化速度往往也更快。
热迟滞
这一标准常常被忽视，但它也或许成为首要差错源。它本质上是机械性的，是热循环导致芯片应力改动的成果。经过很大的温度循环之后，在给定温度下能够观察到迟滞，其表现为输出电压的改动。它与温度系数和时刻漂移无关，会下降初始电压校准的有用性。
在随后的温度循环期间，大多数基准电压源倾向于在标称输出电压邻近改动，因而热迟滞一般以可猜测的最大值为限。每家制造商都有自己指定此参数的办法，因而典型值或许发生误导。预算输出电压差错时，数据手册 (如 LT1790 和 LTC6652) 中供给的散布数据会更有用。
图 3.分流基准电压源
图 4.串联基准电压源
其他标准
依据运用要求，其他或许重要的标准包含：
■电压噪声
■线性调整率/PSRR
■负载调整率
■压差
■电源电压规模
■电源电流
基准电压源类型
基准电压源首要有两类：分流和串联。串联和分流基准电压源拜见表 2。
分流基准电压源
分流基准电压源是 2 端器材，一般规划为在指定电流规模内作业。尽管大多数分流基准电压源是带隙类型并供给多种电压，但能够以为它们与齐纳二极管型相同易用，现实也的确如此。
最常见的电路是将基准电压源的一个引脚衔接到地，另一个引脚衔接到电阻。电阻的另一个引脚衔接到电源。这样，它实质上变成一个三端电路。基准电压源和电阻的公共端是输出。电阻的挑选有必要恰当，使得在整个电源规模和负载电流规模内，经过基准电压源的最小和最大电流都在额定规模内。假如电源电压和负载电流改动不大，这些基准电压源很简略用于规划。假如其间之一或二者或许发生严重改动，则所选电阻有必要习惯这种改动，一般会导致电路实践耗散功率比标称状况所需大得多。从这个意义上讲，它能够被以为像 A 类放大器相同运作。
分流基准电压源的长处包含：规划简略，封装小，在宽电流和负载条件下具有杰出的安稳性。此外，它很简略规划为负基准电压源，而且能够合作十分高的电源电压运用 (因为外部电阻会分管大部分电位)，或合作十分低的电源电压运用 (因为输出能够仅低于电源电压几毫伏)。ADI公司供给的分流产品包含 LT1004、LT1009、LT1389、LT1634、LM399 和 LTZ1000。典型分流电路如图 3 所示。
串联基准电压源
串联基准电压源是三 (或更多)端器材。它更像低压差 (LDO) 稳压器，因而其许多长处是相同的。最值得留意的是，其在很宽的电源电压规模内耗费相对固定的电源电流，而且只在负载需求时才传导负载电流。这使其成为电源电压或负载电流有较大改动的电路的抱负挑选。它在负载电流十分大的电路中特别有用，因为基准电压源和电源之间没有串联电阻。
ADI公司供给的串联产品包含 LT1460、LT1790、LT1461、LT1021、LT1236、LT1027、LTC6652、LT6660 等等。LT1021 和 LT1019 等产品能够用作分流或串联基准电压源。串联基准电压源电路如图 4 所示。
图 5.规划带隙电路供给理论上为零的温度系数
图 6.200mV 基准电压源电路
基准电压源电路
有许多办法能够规划基准电压源 IC。每种办法都有特定的长处和缺点。
依据齐纳二极管的基准电压源
深埋齐纳型基准电压源是一种相对简略的规划。齐纳 (或雪崩) 二极管具有可猜测的反向电压，该电压具有相当好的温度安稳性和十分好的时刻安稳性。假如坚持在较小温度规模内，这些二极管一般具有十分低的噪声和十分好的时刻安稳性，因而其适用于基准电压改动有必要尽或许小的运用。
与其他类型的基准电压源电路比较，这种安稳性可归因于元件数量和芯片面积相对较少，而且齐纳元件的结构很精巧。但是，初始电压和温度漂移的改动相对较大，这很常见。能够添加电路来补偿这些缺点，或许供给一系列输出电压。分流和串联基准电压源均运用齐纳二极管。
LT1021、LT1236 和 LT1027 等器材运用内部电流源和放大器来调理齐纳电压和电流，以进步安稳性，并供给多种输出电压，如 5V、7V 和 10V。这种附加电路使齐纳二极管与许多运用电路兼容性更好，但需求更大的电源裕量，并或许引起额定的差错。
别的，LM399 和 LTZ1000 运用内部加热元件和附加晶体管来安稳齐纳二极管的温度漂移，完成温度和时刻安稳性的最佳组合。此外，这些依据齐纳二极管的产品具有极低的噪声，可供给最佳功能。LTZ1000 的温度漂移为 0.05ppm/°C，长时刻安稳性为 2μV/√kHr，噪声为 1.2μVP-P。为了便于了解，以实验室仪器为例，噪声和温度引起的 LTZ1000 基准电压的总不确认性只要大约 1.7ppm，加上老化引起的每月不到 1ppm。
带隙基准电压源
齐纳二极管尽管可用于制造高功能基准电压源，但缺少灵活性。具体而言，它需求 7V 以上的电源电压，而且供给的输出电压相对较少。比较之下，带隙基准电压源能够发生各式各样的输出电压，电源裕量十分小——一般小于 100mV。带隙基准电压源可规划用来供给十分准确的初始输出电压和很低的温度漂移，无需耗时的运用中校准。
带隙操作依据双极结型晶体管的根本特性。图 5 所示为一个根本带隙基准电压源——LT1004 电路的简化版别。能够看出，一对不匹配的双极结型晶体管的 VBE 具有与温度成正比的差异。这种差异可用来发生一个电流，其随温度线性上升。当经过电阻和晶体管驱动该电流时，假如其巨细适宜，晶体管的基极-发射极电压随温度的改动会抵消电阻两头的电压改动。尽管这种抵消不是彻底线性的，但能够经过附加电路进行补偿，使温度漂移十分低。
表 2.ADI公司供给的基准电压源
根本带隙基准电压源背面的数学原理很有意思，因为它将已知温度系数与共同的电阻率相结合，发生理论上温度漂移为零的基准电压。图 5 显现了两个晶体管，经调整后，Q10 的发射极面积为 Q11 的 10 倍，而 Q12 和 Q13 的集电极电流坚持持平。这就在两个晶体管的基极之间发生一个已知电压：
其间，k 为玻尔兹曼常数，单位为 J/K (1.38×10-23)；T 为开氏温度 (273 + T (°C))；q 为电子电荷，单位为库仑 (1.6×10-19)。在 25°C 时，kT/q 的值为 25.7mV，正温度系数为 86μV/°C。∆VBE 为此电压乘以 ln(10) 或 2.3，25°C时 电压约为 60mV，温度系数为 0.2mV/°C。
将此电压施加到基极之间衔接的 50k 电阻，发生一个与温度成份额的电流。该电流偏置二极管 Q14，25°C 时其电压为 575mV，温度系数为 -2.2mV/°C。电阻用于发生具有正温度系数的压降，其施加到 Q14 二极管电压上，然后发生大约 1.235V 的基准电压电位，理论上温度系数为 0mV/°C。这些压降如图 5 所示。电路的平衡供给偏置电流和输出驱动。
ADI公司出产各式各样的带隙基准电压源，包含小型廉价精细串联基准电压源 LT1460、超低功耗分流基准电压源 LT1389 以及超高精度、低漂移基准电压源 LT1461 和 LTC6652。可用输出电压包含 1.2V、1.25V、2.048V、2.5V、3.0V、3.3V、4.096V、4.5V、5V 和 10V。这些基准电压能够在很宽规模的电源和负载条件下供给，而且电压和电流开支极小。产品或许具有十分高的精度，例如 LT1461、LT1019、LTC6652 和 LT1790；尺度或许十分小，例如 LT1790 和 LT1460 (SOT23)，或选用 2mm×2mm DFN 封装的 LT6660；或许功耗十分低，例如 LT1389，其功耗仅需 800nA。尽管齐纳基准电压源在噪声和长时刻安稳性方面往往具有更好的功能，但新的带隙基准电压源正在缩小差距，例如 LTC6652 的峰峰值噪声 (0.1Hz 至 10Hz) 为 2ppm。
图 7.LT6700 支撑与低至 400mV 的阈值进行比较
分数带隙基准电压源
这种基准电压源依据双极晶体管的温度特性规划，但输出电压能够低至几毫伏。它适用于超低电压电路，特别是阈值有必要小于惯例带隙电压 (约 1.2V) 的比较器运用。
图 6 所示为 LM10 的中心电路，同正常带隙基准电压源类似，其间结合了与温度成正比和成反比的元件，以取得安稳的 200mV 基准电压。分数带隙基准电压源一般运用 ΔVBE 发生一个与温度成正比的电流，运用 VBE 发生一个与温度成反比的电流。二者以恰当的份额在一个电阻元件中兼并，以发生不随温度改动的电压。电阻巨细能够更改，然后改动基准电压而不影响温度特性。这与传统带隙电路的不同之处在于，分数带隙电路兼并电流，而传统电路倾向于兼并电压，一般是基极-发射极电压和具有相反 TC 的 I•R。
像 LM10 电路这样的分数带隙基准电压源在某些状况下同样是依据减法。LT6650 具有 400mV 的此类基准电压，而且配有一个放大器。因而，能够经过改动放大器的增益来改动基准电压，并供给一个缓冲输出。运用这种简略电路能够发生低于电源电压 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计划，其将 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 基准电压源能够监控小输入信号，然后下降监控电路的复杂性；它还能监控选用十分低电源电压作业的电路元件。假如阈值较大，能够添加一个简略的电阻分压器 (图 8)。这些产品均选用小尺度封装 (SOT23)，功耗很低 (低于 10μA)，支撑宽电源规模 (1.4V 至 18V)。此外，LT6700 供给 2mm x 3mm DFN 封装，LT6703 供给 2mm x 2mm DFN 封装。
图 8.经过输入电压分压来设置较高阈值
挑选基准电压源
了解一切这些选项之后，如何为运用挑选恰当的基准电压源呢？以下是一些用来缩小挑选规模的诀窍：
■电源电压是否十分高？挑选分流基准电压源。
■电源电压或负载电流的改动规模是否很大？挑选串联基准电压源。
■是否需求高成效比？挑选串联基准电压源。
■确认实践温度规模。关于各种温度规模，包含 0°C 至 70°C、-40°C 至 85°C 和 -40°C 至 125°C，ADI公司供给标准和作业功能确保。
■精度要求应切合实践。了解运用所需的精度十分重要。这有助于确认要害标准。考虑到这一要求，将温度漂移乘以指定温度规模，加上初始精度差错、热迟滞和预期产品寿数期间的长时刻漂移，减去任何将在出厂时校准或定时从头校准的项，便得到整体精度。关于要求最严苛的运用，还能够添加噪声、电压调整率和负载调整率差错。例如，一个基准电压源的初始精度差错为 0.1% (1000ppm)，-40°C 至 85°C 规模内的温度漂移为 25ppm/°C，热迟滞为 200ppm，峰峰值噪声为 2ppm，时刻漂移为 50ppm/√kHr，则在电路建成时总不确认性将超越 4300ppm。在电路通电后的前 1000 小时，这种不确认性添加 50ppm。初始精度能够校准，然后将差错下降至 3300ppm + 50ppm • √(t/1000 小时)。
ADI公司供给广泛的基准电压源产品，包含串联和分流基准电压源——选用齐纳二极管、带隙和其他计划。基准电压源有多种功能和温度等级，以及简直一切或许的封装类型。
■实践电源规模是什么？最大预期电源电压是多少？是否存在基准电压源 IC 有必要接受的毛病状况，例如电池电源堵截或热插拔感应电源尖峰等？这或许会明显削减可挑选的基准电压源数量。
■基准电压源的功耗或许是多少？基准电压源往往分为几类：大于 1mA，~500μA，<300μA，<50μA，<10μA，<1μA。
■负载电流有多大？负载是否会耗费许多电流或发生基准电压源有必要吸收的电流？许多基准电压源只能为负载供给很小电流，很少基准电压源能够吸收许多电流。负载调整率标准能够有用阐明这个问题。
■装置空间有多少？基准电压源的封装多种多样，包含金属帽壳、塑料封装 (DIP、SOIC、SOT) 和十分小的封装，例如选用 2mm x 2mm DFN 的 LT6660。人们普遍以为，较大封装的基准电压源因机械应力引起的差错要小于较小封装的基准电压源。尽管确有某些基准电压源在运用较大封装时功能更好，但有依据标明，功能差异与封装巨细没有直接联系。更有或许的是，因为选用较小封装的产品运用的芯片较小，所以有必要对功能进行某种取舍以习惯芯片上的电路。一般，封装的装置办法对功能的影响比实践封装还要大，密切留意装置办法和方位能够最大极限地进步功能。此外，当 PCB 曲折时，占位面积较小的器材比较占位面积较大的器材，应力或许更小。具体评论拜见ADI公司运用笔记 AN82“了解和运用基准电压源”。
定论
ADI公司供给广泛的基准电压源产品，包含串联和分流基准电压源，规划计划有齐纳二极管、带隙和其他类型。基准电压源有多种功能和温度等级，以及简直一切已知的封装类型。从最高精度产品到小型廉价产品，包罗万象。凭仗巨大的基准电压源产品库，ADI公司的基准电压源可满意简直一切运用的需求。
另请拜见ADI公司运用笔记 AN82“了解和运用基准电压源”。
