基准电压源的主要技术指标，基准电压源电路原理

资料来源：ADI 作者：Brendan Whelan

为什么我们需要参考电压这是一个模拟世界。所有电子设备，无论是您的汽车、微波炉还是手机，都需要以某种方式与“真实”世界进行交互。为此，电子设备必须能够将现实世界的测量值（速度、压力、长度、温度）映射到电子世界中的可测量量（电压）。当然，测量电压需要一个度量。该标准成为参考电压。对于系统设计人员来说，问题不是是否需要参考电压，而是使用什么样的参考电压。

电压基准只不过是一个电路或电路元件，只要电路需要，它就能提供已知的电势。这可能需要几分钟、几小时或几年。当产品需要收集相关的现实信息时，例如电池电压或电流、功耗、信号大小或特征、故障识别等，必须将相关信号与标准进行比较。为此，每个比较器、ADC、DAC 或检测电路都需要一个参考电压（图1）。通过将目标信号与已知值进行比较来准确量化任何信号。图1. ADC 电压基准的典型用途。

电压基准规格电压基准有多种形式，具有不同的特性，但它们的主要作用是提供已知的输出电压，因此精度和稳定性最终决定了基准电压的精度和稳定性。是基准电压最重要的特性这种与已知值的变化就是误差。电压参考规范通常使用以下定义来预测特定条件下的不确定性：

初始精度

在特定温度（通常为25C）下测得的输出电压变化。初始输出电压可能因设备而异，但如果特定设备的初始输出电压是恒定的，则可以轻松校准。

温度漂移该规格是评估基准性能最广泛使用的规格，因为它描述了输出电压随温度的变化。温度漂移通常是非线性的，因为它是由电路元件中的缺陷和非线性引起的。

对于许多器件来说，温度漂移TC（以ppm/C 为单位测量）是主要误差源。可以校准具有稳定漂移的设备。关于温度漂移的一个常见误解是它是线性的。这就产生了诸如“器件的温度范围越窄，漂移就越少”之类的想法，但事实往往恰恰相反。 TC 通常使用“黑匣子方法”来指定，以帮助了解工作温度范围内可能出现的错误。这是仅基于最小和最大电压值的计算值，并未考虑这些极值发生时的温度。

对于在指定温度范围内表现出非常好的线性度的参考，或者没有仔细调整的参考，最坏情况的误差可以被认为与温度范围成正比。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（通常通过非常低的温度漂移来判断），它们的非线性特性可能成为主导。

例如，指定为100ppm/C 的电压参考在任何温度范围内都趋向于相当线性，因为元件失配引起的漂移完全掩盖了其固有的非线性。相比之下，指定为5ppm/C 的基准将主要经历非线性温度漂移。

从图2 所示的输出电压与温度特性中可以轻松看出这一点。请注意，显示了两种可能的温度特性。未补偿的带隙电压参考表现为一条抛物线，在极端温度处具有最小值，在中间温度处具有最大值。温度补偿带隙基准（例如此处所示的LT1019）呈现出“S”形曲线，在温度范围中间附近具有最大斜率。在后一种情况下，非线性增加，因此温度范围内的总体不确定性降低。图2. 参考电压的温度特性

温度漂移规格的最佳用途是计算指定温度范围内的最大总误差。通常不建议在未指定的温度范围内计算误差，除非充分了解温度漂移特性。

长期稳定性该规范测量参考电压随时间变化的趋势，与其他变量无关。初始偏移主要是由机械应力的变化引起的，通常是由于引线框架、芯片和模制化合物的膨胀率的差异造成的。这种应力效应通常具有较大的初始变形，并随着时间的推移而迅速减小。初始漂移还包括电路元件电特性的变化，包括在原子水平上建立器件特性。长期变化是由电路元件的电气变化引起的，通常称为“老化”。这种漂移往往以比初始漂移更慢的速度发生，并且变化率随着时间的推移进一步降低。因此，常表示为“drift/khr”。随着温度升高，参考电压往往会恶化得更快。

该规范经常被忽视，但它也可能是错误的主要来源。它本质上是机械性的，是导致芯片内应力变化的热循环的结果。经过大的温度循环后，在特定温度下会观察到滞后现象，并表现为输出电压的变化。这与温度系数和时间漂移无关，并且会降低初始电压校准的有效性。

在随后的温度周期中，大多数参考电压往往会在标称输出电压附近变化，因此热滞后通常限制在可预测的最大值。每个制造商都有自己的指定此参数的方式，因此通用值可能会产生误导。在估计输出电压误差时，LT1790 和LTC6652 等数据表中的分布数据更有用。

其他规格根据您的应用要求，其他可能重要的规格包括：

电压噪声

线性调节率/PSRR

你好埃琳娜

压差

电源电压范围

电源电流

参考电压源的类型参考电压主要有两种类型：并联和串联。

并联参考电压源

并联电压基准通常是设计用于在指定电流范围内工作的两端器件。大多数并联电压基准都是带隙类型，并提供多种电压，但有人可能会说它们与齐纳二极管类型一样易于使用，而且确实如此。

最常见的电路是将基准的一个引脚连接到地，将另一个引脚连接到电阻器。电阻器的另一个引脚连接到电阻器。电阻的另一个引脚连接到电源。这有效地形成了三端电路。基准电压源和电阻器的公共端是输出。电阻电压源和电阻的公共端是输出。选择电阻器时，必须确保通过基准的最小和最大电流在电源和负载电流范围的额定范围内。如果电源电压和负载电流变化不大，这些参考电压很容易在您的设计中使用。如果其中之一或两者可能发生显着变化，则电路通常最终会实际消耗比标称情况所需的更多的功率。从这个意义上说，它可以被认为与A 类放大器类似地工作。

并联电压基准的优点包括设计简单、封装小以及在较宽的电流和负载条件下具有良好的稳定性。此外，它可以轻松地设计为负基准，无论是在非常高的电源电压（因为外部电阻器共享大部分电位）还是在非常低的电源电压（因为输出可能仅比参考电压低几秒钟） .可以搭配使用。电源电压）.毫伏）。凌力尔特目前的分流器产品包括LT1004、LT1009、LT1389、LT1634、LM399 和LTZ1000。典型的并联电路如图3 所示。图3. 并联参考电压

系列参考系列参考是三个（或更多）终端设备。它类似于低压差(LDO) 稳压器，因此许多优点是相同的。最值得注意的是，它在很宽的电源电压范围内消耗相对固定的电源电流，仅在负载需要时才汲取负载电流。因此，非常适合电源电压或负载电流变化较大的电路。基准电压源和电源之间没有串联电阻，这使得它在负载电流非常高的电路中特别有用。

凌力尔特提供的系列产品包括LT1460、LT1790、LT1461、LT1021、LT1236、LT1027、LTC6652、LT6660 等。 LT1021 和LT1019 等产品可用作并联或串联基准电压源。串联参考电压源电路如图4所示。图4. 串联参考电压源

参考电压电路设计参考电压IC 的方法有很多种。每种方法都有特定的优点和缺点。

基于齐纳二极管的参考深埋齐纳参考是相对简单的设计。齐纳（或雪崩）二极管具有非常好的温度和时间稳定性以及可预测的反向电压。当保持在较窄的温度范围内时，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，使得它们适合需要尽可能小的参考电压变化的应用。

这种稳定性可归因于与其他类型的参考电路相比相对较少的元件数量和芯片面积，以及齐纳元件的紧凑结构。然而，初始电压和温度漂移相对较大的变化是常见的。可以添加额外的电路来补偿这些缺陷或提供一定范围的输出电压。齐纳二极管用于并联和串联基准电压源。

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。这种附加电路使齐纳二极管与许多应用电路更加兼容，但它需要更大的功率裕度，并且可能会引入额外的误差。

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，提供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，可实现最佳性能。 LTZ1000 的温度漂移为0.05ppm/C，长期稳定性为2V/kHr，噪声为1.2VP-P。为了便于理解，以实验室设备为例，LTZ1000参考电压由于噪声和温度而产生的总不确定度仅为1.7ppm左右，而由于老化而增加的误差每月小于1ppm。

带隙基准齐纳二极管可用于创建高性能基准，但它们缺乏灵活性。具体来说，它需要大于7V的电源电压，但提供相对较小的输出电压。相比之下，带隙电压基准可以产生各种输出电压，而电源余量非常小（通常小于100mV）。带隙电压基准可设计为提供高精度的初始输出电压和极低的温度漂移，从而无需进行耗时的应用校准。

带隙操作基于双极结型晶体管的基本特性。图5 显示了LT1004 电路的简化版本，这是一个基本带隙基准。可以看出，一对失配双极结型晶体管的VBE 与温度成比例地变化。这种差异可用于产生随温度线性增加的电流。当该电流流过电阻器和晶体管时，如果尺寸适当，晶体管基极-发射极电压随温度的变化会抵消电阻器两端电压的变化。尽管这种抵消不是完全线性的，但可以通过附加电路进行补偿，从而产生非常低的温度漂移。图5. 理论上具有零温度系数的带隙电路设计。

T 基本带隙参考背后的数学很有趣。已知温度系数和固有电阻率的结合创建了理论上零温度漂移的参考。图5 显示了经过调整的两个晶体管，使Q10 的发射极面积是Q11 的10 倍，同时Q12 和Q13 的集电极电流保持相等。这会在两个晶体管的基极之间产生已知电压。

其中，k为玻尔兹曼常数，单位为J/K(1.3810-23)，T为开尔文温度(273+T())，q为电子电荷，单位为库仑(1.610-23)。 - 19）。 25C 时，kT/q 值为25.7mV，正温度系数为86V/C。 VBE 是该电压乘以ln(10) 或2.3，在25C 时约为60mV，温度系数为0.2mV/C。

将此电压施加到连接在基极之间的50k 电阻器上，产生与温度成比例的电流。该电流以25C 时575mV 的电压和-2.2mV/C 的温度系数偏置二极管Q14。该电阻器用于产生具有正温度系数的压降，该压降应用于Q14 二极管电压，从而产生大约1.235V 的参考电势，理论温度系数为0mV/C。这些压降如图5 所示。平衡电路提供偏置电流和输出驱动。

Linear Technology 生产各种带隙基准电压源，包括LT1460（一种小型且廉价的精密系列基准电压源）、LT1389 超低功耗并联基准电压源，以及LT1461 和LTC6652 超精密、低漂移基准电压源。可用输出电压包括1.2V、1.25V、2.048V、2.5V、3.0V、3.3V、4.096V、4.5V、5V、10V。这些参考电压可以在各种电源和负载条件下以最小的电压和电流开销提供。产品包括非常高精度（例如LT1461、LT1019、LTC6652、LT1790），以及非常小型（例如采用2 mm 2 mm D F N 封装的LT1790、LT1460 (SOT23) 或LT6660），或者功耗非常低。有些器件（例如LT1389）仅消耗800nA 电流。齐纳基准电压源往往在噪声和长期稳定性方面具有卓越的性能，但新的带隙基准电压源正在填补这一空白，例如具有2ppm 峰峰值噪声（0.1Hz 至10Hz）的LTC6652。

分数带隙基准该基准基于双极晶体管的温度特性，但输出电压低至几毫伏。适用于超低电压电路，特别是阈值必须低于传统带隙电压（约1.2V）的比较器应用。

图6所示为LM10核心电路。它与常规带隙基准类似，结合与温度成正比和反比的元件，以获得恒定的200mV 基准电压。分数带隙电压基准通常使用VBE 生成与温度成正比的电流，并使用VBE 生成与温度成反比的电流。两者以适当的比例组合在电阻元件内，产生不随温度变化的电压。通过改变电阻大小，可以改变参考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，分数带隙电路耦合电流，而传统电路倾向于耦合电压，通常是基极-发射极电压和I/R，而TC是相反的。图6.200mV 参考电路。

分数带隙电压基准（例如LM10 电路）有时也基于减法。 LT6650 具有400mV 基准电压并配有放大器。因此，通过改变放大器的增益，可以改变参考电压并提供缓冲输出。这个简单的电路可用于生成比电源电压低0.4V 至几毫伏的输出电压。 LT6700（图7）和LT6703 是集成度更高的解决方案，将400mV 基准电压源与可用作电压监视器或窗口比较器的比较器相结合。 400mV 基准电压源可以监控小输入信号，降低监控电路的复杂性，并允许监控在极低电源电压下运行的电路组件。如果阈值很大，可以添加一个简单的电阻分压器（图8）。这些产品采用小尺寸封装（SOT23），具有极低的功耗（小于10A），并支持宽电源范围（1.4V至18V）。此外，LT6700 采用2mm x 3mm DFN 封装，LT6703 采用2mm x 2mm DFN 封装。

LT6700 支持与低至400mV 的阈值进行比较。图8. 通过分压输入电压设置更高的阈值

选择电压基准既然您了解了所有这些选项，那么如何为您的应用选择正确的电压基准呢？以下是一些缩小选择范围的提示。

电源电压是否很高？选择分流参考源。

电源电压或负载电流是否波动较大？选择串联基准源。

您需要高功率效率吗？选择系列基准源。

确定实际温度范围。兼容0C至70C、-40C至85C、-40C至125C等各种温度范围。

准确性要求必须切合实际。了解您的应用所需的准确性非常重要。这将有助于确定关键规格。为了满足这一要求，请将温度漂移乘以指定的温度范围，加上初始精度误差、热滞后和产品使用寿命内的预期长期漂移，以确保它不会在工厂校准或定期重新校准. 减去该术语。获得总体准确度。在最苛刻的应用中，还可能添加噪声、线路调节和负载调节误差。例如，基准电压源的初始精度误差为0.1% (1000ppm)，从-40 C 到85 C 的温度漂移为25 ppm/C，热滞后为200 ppm，峰峰值噪音为2 ppm。如果时间漂移为50ppm/kHr，则电路构建期间的总不确定性超过4300ppm。在电路通电后的前1000 小时内，这种不确定性增加了50 ppm。可校准初始精度，将误差降低至3300ppm + 50ppm ? (t/1000 小时)。

实际输出范围是多少？预期的最大电源电压是多少？参考IC 是否必须承受任何故障条件，例如电池电源断开或热插拔感应功率尖峰？可选参考电压源的数量可能会很大减少。

电压基准消耗多少功率？电压基准通常分为几类：1mA 及以上、~500A、300A、50A、10A 和1A。

什么是负载电流？负载是否会消耗大量电流，还是会产生基准电压源必须吸收的电流？许多电压基准只能向负载提供少量电流，很少有东西可以吸收基准电压源的电流。当前的.负载调节规范可以有效地解决这个问题。

您有多少安装空间？电压基准可采用多种封装，包括金属罐、塑料封装（DIP、SOIC、SOT）以及超小型封装，例如采用2mm x 2mm DFN 的LT6660。人们普遍认为，较大封装电压基准比较小封装电压基准而言，由于机械应力而产生的误差较小。虽然某些电压基准确实在较大的封装中表现更好，但有证据表明性能差异与封装尺寸没有直接关系。据推测，较小封装的产品将使用较小的芯片，因此必须牺牲一些性能来适应芯片上的电路。封装的安装方式通常比实际封装对性能的影响更大，密切注意安装方法和位置可以最大限度地提高性能。此外，当PCB 弯曲时，占用空间较小的设备可能比占用空间较大的设备承受的压力更小。

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