為何需要基準電壓源？

這是一個(gè)模擬世界。無(wú)論汽車(chē)、微波爐還是手機，所有電子設備都必須以某種方式與“真實(shí)”世界交互。為此，電子設備必須能夠將真實(shí)世界的測量結果（速度、壓力、長(cháng)度、溫度）映射到電子世界中可測的量（電壓）。當然，要測量電壓，您需要一個(gè)衡量標準。該標準就是基準電壓。對系統設計人員而言，問(wèn)題不在于是否需要基準電壓源，而是使用何種基準電壓源？

 

 

基準電壓源只是一個(gè)電路或電路元件，只要電路需要，它就能提供已知電位。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、信號大小或特性、故障識別等，那么必須將相關(guān)信號與一個(gè)標準進(jìn)行比較。每個(gè)比較器、ADC、DAC或檢測電路必須有一個(gè)基準電壓源才能完成上述工作（圖1）。將目標信號與已知值進(jìn)行比較，可以準確量化任何信號。

 

圖1：ADC的基準電壓源的典型用法

基準電壓源規格

基準電壓源有很多形式并提供不同的特性，但歸根結底，精度和穩定性是基準電壓源最重要的特性，因為其主要作用是提供一個(gè)已知輸出電壓。相對于該已知值的變化是誤差?；鶞孰妷涸匆幐裢ǔＪ褂脠D2定義來(lái)預測其在某些條件下的不確定性。

 

圖2：高性能基準電壓源規格（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，但如果它對于給定器件是恒定的，那么很容易將其校準。

 

溫度漂移

該規格是基準電壓源性能評估使用最廣泛的規格，因為它表明輸出電壓隨溫度的變化。溫度漂移是由電路元件的缺陷和非線(xiàn)性引起的，因此常常是非線(xiàn)性的。

 

對于許多器件，溫度漂移（TC - Temperature Coefficient，以ppm/°C為單位）是主要誤差源。溫度漂移一致的器件，是可以校準的。關(guān)于溫度漂移的一個(gè)常見(jiàn)誤解是認為它是線(xiàn)性的。這導致了諸如“器件在較小溫度范圍內的漂移量會(huì )較少”之類(lèi)的觀(guān)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)工作溫度范圍內的可能誤差。它是一個(gè)計算值，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。

 

對于在指定溫度范圍內具有非常好線(xiàn)性度的基準電壓源，或者對于那些未經(jīng)仔細調整的基準電壓源，可以認為最差情況誤差與溫度范圍成比例。這是因為最大和最小輸出電壓極有可能是在最大和最小工作溫度下得到的。然而，對于經(jīng)過(guò)仔細調整的基準電壓源（通常通過(guò)其非常低的溫度漂移來(lái)判定），其非線(xiàn)性特性可能占主導地位。

 

例如，指定為100ppm/°C的基準電壓源傾向于在任何溫度范圍內都有相當好的線(xiàn)性度，因為元件不匹配引起的漂移完全掩蓋了其固有非線(xiàn)性。相反，指定為5ppm/°C的基準電壓源，其溫度漂移將以非線(xiàn)性為主。

 

這在圖3所示的輸出電壓與溫度特性的關(guān)系中很容易看出。注意，其中展示了兩種可能的溫度特性。未補償的帶隙基準電壓源表現為拋物線(xiàn)，最小值在溫度極值處，最大值在中間。此處所示的溫度補償帶隙基準電壓源（如LT1019）表現為“S”形曲線(xiàn)，其最大斜率接近溫度范圍的中心。在后一種情況下，非線(xiàn)性加劇，從而降低了溫度范圍內的總體不確定性。

 

圖3：基準電壓源溫度特性
 

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

 

長(cháng)期穩定性

該規格衡量基準電壓隨時(shí)間變化的趨勢，與其他變量無(wú)關(guān)。初始偏移主要由機械應力的變化引起，后者通常來(lái)源于引線(xiàn)框架、裸片和模塑化合物的膨脹率的差異。這種應力效應往往具有很大的初始偏移，爾后隨著(zhù)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(cháng)期的偏移是由電路元件的電氣變化引起的，常常稱(chēng)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，并且隨著(zhù)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(lái)表示。在較高溫度下，基準電壓源的老化速度往往也更快。

 

這一規格常常被忽視，但它也可能成為主要誤差源。它本質(zhì)上是機械性的，是熱循環(huán)導致芯片應力改變的結果。經(jīng)過(guò)很大的溫度循環(huán)之后，在給定溫度下可以觀(guān)察到遲滯，其表現為輸出電壓的變化。它與溫度系數和時(shí)間漂移無(wú)關(guān)，會(huì )降低初始電壓校準的有效性。

 

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

 

其他規格

根據應用要求，其他可能重要的規格包括：

● 電壓噪聲

● 線(xiàn)性調整率/PSRR

● 負載調整率

● 壓差

● 電源電壓范圍

● 電源電流

 

基準電壓源類(lèi)型

基準電壓源主要有兩類(lèi)：分流和串聯(lián)。串聯(lián)和分流基準電壓源參見(jiàn)圖4。

 

圖4：基準電壓源
 

分流基準電壓源

分流基準電壓源是兩端器件，通常設計為在指定電流范圍內工作。雖然大多數分流基準電壓源是帶隙類(lèi)型并提供多種電壓，但可以認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(jiàn)的電路是將基準電壓源的一個(gè)引腳連接到地，另一個(gè)引腳連接到電阻。而電阻的一個(gè)引腳連接到電阻，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?；鶞孰妷涸春碗娮璧墓捕耸禽敵?，而電阻電壓源和電阻的公共端也是輸出。電阻的選擇必須適當，使得在整個(gè)電源范圍和負載電流范圍內，通過(guò)基準電壓源的最小和最大電流都在額定范圍內。如果電源電壓和負載電流變化不大，這些基準電壓源很容易用于設計。如果其中之一或二者可能發(fā)生重大變化，通常會(huì )導致電路實(shí)際耗散功率比標稱(chēng)情況所需大得多。從這個(gè)意義上講，它可以被認為像A類(lèi)放大器一樣運作。

 

分流基準電壓源的優(yōu)點(diǎn)包括：設計簡(jiǎn)單，封裝小，在寬電流和負載條件下具有良好的穩定性。此外，它很容易設計為負基準電壓源，并且可以配合非常高的電源電壓使用（因為外部電阻會(huì )分攤大部分電位），或配合非常低的電源電壓使用（因為輸出可以?xún)H低于電源電壓幾毫伏）。分流產(chǎn)品包括LT1004、LT1009、LT1389、LT1634、LM399和LTZ1000。典型分流電路如圖5所示。

 

圖5：分流基準電壓源
 

串聯(lián)基準電壓源

串聯(lián)基準電壓源是三（或更多）端器件。它更像低壓差（LDO）穩壓器，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消耗相對固定的電源電流，并且只在負載需要時(shí)才傳導負載電流。這使其成為電源電壓或負載電流有較大變化的電路的理想選擇。它在負載電流非常大的電路中特別有用，因為基準電壓源和電源之間沒(méi)有串聯(lián)電阻。

 

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)基準電壓源。串聯(lián)基準電壓源電路如圖6所示。