為何需要基準電壓源？

這是一個模擬世界。無論汽車、微波爐還是手機，所有電子設備都必須以某種方式與“真實”世界交互。為此，電子設備必須能夠將真實世界的測量結果（速度、壓力、長度、溫度）映射到電子世界中可測的量（電壓）。當然，要測量電壓，您需要一個衡量標準。該標準就是基準電壓。對系統設計人員而言，問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。如果產品需要采集真實世界的相關信息，例如電池電壓或電流、功耗、信號大小或特性、故障識別等，那么必須將相關信號與一個標準進行比較。每個比較器、ADC、DAC或檢測電路必須有一個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已知輸出電壓。相對于該已知值的變化是誤差。基準電壓源規格通常使用圖2定義來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性引起的，因此常常是非線性的。

 

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。關于溫度漂移的一個常見誤解是認為它是線性的。這導致了諸如“器件在較小溫度范圍內的漂移量會較少”之類的觀點，然而事實常常相反。TC一般用“黑盒法”指定，以便讓人了解整個工作溫度范圍內的可能誤差。它是一個計算值，僅基于電壓的最小值和最大值，并不考慮這些極值發生的溫度。

 

對于在指定溫度范圍內具有非常好線性度的基準電壓源，或者對于那些未經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，對于經過仔細調整的基準電壓源（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性度，因為元件不匹配引起的漂移完全掩蓋了其固有非線性。相反，指定為5ppm/°C的基準電壓源，其溫度漂移將以非線性為主。

 

這在圖3所示的輸出電壓與溫度特性的關系中很容易看出。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，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，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。

 

長期穩定性

該規格衡量基準電壓隨時間變化的趨勢，與其他變量無關。初始偏移主要由機械應力的變化引起，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。這種應力效應往往具有很大的初始偏移，爾后隨著時間推移，偏移會迅速減少。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生，并且隨著時間推移變化速率會進一步降低。因此，它常常用“漂移/√khr”來表示。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。它本質上是機械性的，是熱循環導致芯片應力改變的結果。經過很大的溫度循環之后，在給定溫度下可以觀察到遲滯，其表現為輸出電壓的變化。它與溫度系數和時間漂移無關，會降低初始電壓校準的有效性。

 

在隨后的溫度循環期間，大多數基準電壓源傾向于在標稱輸出電壓附近變化，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，因此典型值可能產生誤導。估算輸出電壓誤差時，數據手冊（如LT1790和LTC6652）中提供的分布數據會更有用。

 

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

 

基準電壓源類型

基準電壓源主要有兩類：分流和串聯。串聯和分流基準電壓源參見圖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，事實也確實如此。

 

最常見的電路是將基準電壓源的一個引腳連接到地，另一個引腳連接到電阻。而電阻的一個引腳連接到電阻，另一個引腳連接到電源。這樣，它實質上變成一個三端電路。基準電壓源和電阻的公共端是輸出，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，使得在整個電源范圍和負載電流范圍內，通過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生重大變化，通常會導致電路實際耗散功率比標稱情況所需大得多。從這個意義上講，它可以被認為像A類放大器一樣運作。

 

分流基準電壓源的優點包括：設計簡單，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（因為輸出可以僅低于電源電壓幾毫伏）。分流產品包括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
 

串聯基準電壓源

串聯基準電壓源是三（或更多）端器件。它更像低壓差（LDO）穩壓器，因此其許多優點是相同的。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有串聯電阻。

 

串聯產品包括LT1460、LT1790、LT1461、LT1021、LT1236、LT1027、LTC6652、LT6660等等。LT1021和LT1019等產品可以用作分流或串聯基準電壓源。串聯基準電壓源電路如圖6所示。