为什么需要基准电压源？

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这是一个模拟世界。所有电子设备，无论是汽车、微波炉还是手机，都必须以某种方式与真实世界互动。为此，电子设备必须能够测量现实世界的测量结果 (速度、压力、长度、温度) 映射到电子世界的可测量 (电压)。当然，你需要一个测量电压的标准。该标准为基准电压。对于系统设计师来说，问题不在于是否需要基准电压源，而在于使用什么基准电压源？

基准电压源只是一个电路或电路元件，只要电路需要，它就能提供已知电位。这可能是几分钟、几小时或几年。如果产品需要收集电池电压或电流、功耗、信号大小或特性、故障识别等现实世界的相关信息，则必须将相关信号与标准进行比较。每个比较器，ADC、DAC 或者检测电路必须有基准电压源才能完成上述工作 (图 1)。将目标信号与已知值进行比较，准确量化任何信号。

基准电压源规格

基准电压源具有多种形式和不同的特性，但归根结底，精度和稳定性是基准电压源最重要的特性，因为它的主要功能是提供已知的输出电压。与已知值相比，变化是一个误差。基准电压源规格通常使用以下定义来预测其在某些条件下的不确定性。

初始精度

在给定温度 (通常为 25°C) 输出电压的变化。虽然不同设备的初始输出电压可能不同，但如果给定设备是恒定的，则很容易校准。

温度漂移

该规格是基准电压源性能评估使用最广泛的规格，因为它表明输出电压随温度的变化。温度漂移是由电路元件的缺陷和非线性引起的，因此常常是非线性的。

对于许多设备，温度漂移 TC (以 ppm/°C 为单位) 主要误差源。校准具有一致漂移的设备是可行的。温度漂移的一个常见误解是它是线性的。这导致了设备在较小温度范围内漂移较少等观点，但事实往往相反。TC 为了让人们了解整个工作温度范围内可能作温度范围内可能出现的误差。它是一个计算值，仅基于电压的最小值和最大值，而不考虑这些极值的温度。

对于在指定温度范围内具有良好线性度的基准电压源，或对于未仔细调整的基准电压源，可以认为最差误差与温度范围成比例。这是因为最大和最小输出电压极可能在最大和最小工作温度下获得。然而，对于经过仔细调整的基准电压源 其非线性特性可以通过其非常低的温度漂移来确定。

例如，指定为 100ppm/°C 由于元件不匹配导致的漂移完全掩盖了其固有的非线性，因此基准电压源往往在任何温度范围内都有相当好的线性度。相反，它被指定为 5ppm/°C 的基准电压源，其温度漂移将以非线性为主。

图 5.理论上为零提供带隙电路的温度系数

基本带间隙基准电压源背后的数学原理非常有趣，因为它将已知的温度系数与独特的电阻率相结合，产生理论上将温度漂移到零的基准电压。 5 经调整，显示两个晶体管，Q10 发射极面积为 Q11 的 10 倍，而 Q12 和 Q13 集电极电流保持相等。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 (1.38×10-23)；T 为开氏温度 (273 T (°C))；q 库仑是电子电荷，库仑是单位 (1.6x10-19)。在 25°C 时，kT/q 的值为 25.7mV，正温度系数为 86μV/°C。?VBE 因此，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的连接上 50k 电阻产生与温度成比例的电流。电流偏置二极管 Q14，25°C 时其电压为 575mV，温度系数为 -2.2mV/°C。电阻用于产生具有正温度系数的压降 Q14 在二极管电压上，产生约 1.235V 理论上，基准电压电位的温度系数为 0mV/°C。这些压降。电路平衡提供偏置电流和输出驱动。

AD公司生产各种带缝基准电压源，包括小型廉价精密串联基准电压源 LT超低功耗分流基准电压源1460 LT1389 超高精度、低漂移基准电压源 LT1461 和 LTC6652。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 和 10V。在广泛的电源和负载条件下，可以提供这些基准电压，电压和电流成本极小。产品可能精度很高，比如 LT1461、LT1019、LTC6652 和 LT1790；尺寸可能很小，比如 LT1790 和 LT1460 (SOT23)，或采用 2mm×2mm DFN 封装的 LT6660；或者功耗非常低，例如 LT1389只需要功耗 800nA。虽然齐纳基准电压源在噪声和长期稳定性方面往往性能更好，但新的带间隙基准电压源正在缩小差距，如 LTC6652 峰值噪声 (0.1Hz 至 10Hz) 为 2ppm。

图 7.LT6700 支持与低至 400mV 比较阈值

分数带隙基准电压源

该基准电压源是根据双极晶体管的温度特性设计的，但输出电压可低至几毫伏。适用于超低电压电路，特别是阈值必须小于传统的间隙电压 (约 1.2V) 比较器应用。

图 6 所示为 LM10 核心电路类似于正常带间隙基准电压源，结合与温度成正比和成反比的元件，以获得恒定 200mV 基准电压。通常使用分数带隙基准电压源 ΔVBE 产生与温度成正比的电流 VBE 产生与温度成反比的电流。两者在电阻元件中以适当的比例合并，以产生不随温度变化的电压。可以在不影响温度特性的情况下改变基准电压。这与传统带隙电路的区别在于，分数带隙电路合并电流，而传统电路倾向于合并电压，通常是基极-发射极电压，相反 TC 的 I?R。

像 LM10 在某些情况下，电路等分数带隙基准电压源也是基于减法的。LT6650 具有 400mV 这种基准电压配有放大器。因此，基准电压可以通过改变放大器的增益来改变，并提供缓冲输出。使用这种简单的电路可以产生低于电源电压的电路 0.4V 任何输出电压为几毫伏。LT6700 (图 7) 和 LT6703 它将是一个集成度更高的解决方案 400mV 可作为电压监测器或窗口比较器结合基准电压源。400mV 基准电压源可以监控小输入信号，从而降低监控电路的复杂性；它还可以监控使用非常低电源电压的电路元件。如果阈值较大，可以添加一个简单的电阻分压器 (图 8)。这些产品都是小尺寸封装的 (SOT23)，功耗很低 (低于 10μA)，支持宽电源范围 (1.4V 至 18V)。此外，LT6700 提供 2mm x 3mm DFN 封装，LT6703 提供 2mm x 2mm DFN 封装。

图 8.通过输入电压分压来设置较高阈值

选择基准电压源

了解所有这些选项后，如何为应用程序选择合适的基准电压源？以下是缩小选择范围的技巧：

■电源电压是否很高？选分流基准电压源。

■电源电压或负载电流的变化范围很大吗？选择串联基准电压源。

■是否需要高功效比？选择串联基准电压源。

■确定实际温度范围。各种温度范围，包括 0°C 至 70°C、-40°C 至 85°C 和 -40°C 至 125°C，AD公司提供规格和工作性能保证。

■精度要求应实用。了解应用所需的精度是非常重要的。这有助于确定关键规格。考虑到这一要求，将温度漂移乘以指定的温度范围，加上预期产品寿命期间的初始精度误差、热滞和长期漂移，减去出厂时的任何校准或定期重新校准。对于要求最高的应用，噪声、电压调节率和负载调节率误差也可以增加。例如，基准电压源的初始精度误差是 0.1% (1000ppm)，-40°C 至 85°C 范围内的温度漂移为 25ppm/°C，热迟滞为 200ppm，峰值噪声为 2ppm，时间漂移为 50ppm/√kHr，当电路完成时，不确定性将超过 4300ppm。电路通电后的前面 1000 这种不确定性在小时内增加 50ppm。可以校准初始精度，从而将误差降低到 3300ppm 50ppm ? √(t/1000 小时)。

AD公司提供广泛的基准电压源产品，包括串联和分流基准电压源——齐纳二极管、间隙等方案。基准电压源具有多种性能和温度等级，几乎所有可能的包装类型。

■实际电源范围是什么？最大预期电源电压是多少？是否有基准电压源？ IC 必须承受的故障，如电池电源切断或热插拔感应电源峰值？这可能会显著减少可选基准电压源的数量。

■基准电压源的功耗是多少？基准电压源通常分为几类：大于 1mA，~500μA，<300μA，<50μA，<10μA，<1μA。

■负载电流有多大？负载是否会消耗大量电流或产生基准电压源必须吸收的电流？许多基准电压源只能为负载提供小电流，很少有基准电压源能吸收大量电流。负载调整率规格可以有效地解释这个问题。

■有多少安装空间？基准电压源包括金属帽壳和塑料包装 (DIP、SOIC、SOT) 以及非常小的包装，如使用 2mm x 2mm DFN 的 LT6660。人们普遍认为，较大封装的基准电压源因机械应力引起的误差要小于较小封装的基准电压源。虽然使用大型包装时确实有一些基准电压源性能更好，但有证据表明性能差AD中国差异与包装尺寸无直接关系。更有可能的是，由于使用较小包装产品的芯片较小，因此必须选择性能以适应芯片上的电路。一般来说，包装的安装方法对性能的影响大于实际包装。密切注意安装方法和位置大大提高性能。此外，当 PCB 弯曲时，占位面积小的装置应力可能小于占位面积大的装置。详细讨论见AD公司应用笔记 AN82理解和应用基准电压源。

结论

AD公司提供广泛的基准电压源产品，包括串联和分流基准电压源，包括齐纳二极管、间隙等类型。基准电压源具有多种性能和温度等级，以及几乎所有已知的包装类型。从最高精度的产品到小型廉价的产品，一切。基准电压源产品库庞大，AD公司的基准电压源可满足几乎所有应用的需求。

另请参见AD公司应用笔记 AN82了解和应用基准电压源。