带隙电压基准

电压基准是许多电子应用中的关键组件，包括电子仪器（例如，数字万用表）、模数和数模转换器、线性和开关模式电源以及其他线性集成电路。

在本文中，我们将重点介绍德州仪器 (TI) 制造的带隙电压基准，并提供大量这种特殊形式的电压基准。

单片电压基准产生的输出电压基本上不受环境温度、负载、输入电压供应和时间变化的影响。

带隙电压基准通常存在于线性稳压器中，例如图 1 中所示的 LM317。

78xx 和 79yy 系列以及德州仪器于 1977 年推出的三端可调精密并联稳压器集成电路，著名的 TL431 也有一个带隙块。

图 1：LM317 带隙 1.25V 直流电压基准

1971 年，Robert J. Widlar 在其美国专利号 3.617.859 中提出了一种基于两个具有不同发射极面积的晶体管制作电压基准的新方法，用于生成与绝对温度成正比的输出电压。

带隙电压参考单元是两种主要串联和并联拓扑的核心，如图 2 所示。

图 2：电压参考拓扑

从原始 Widlar 的专利中，我们可以推导出一个电压参考方程（图 3）。

图 3：电压参考 V _{ref 的}公式

在哪里：

• J1和J2是电流密度
• V _{BE 0} 是绝对温度T 0的基极-发射极电压
• V _{g 0} 是半导体材料在绝对零（即 1.205 V）时的外推能带隙电压
• q是电子电荷 1.60217662 × 10 ^–19 C
• k是玻尔兹曼常数 1.38064852 × 10 ^–23  m ²  kg s ^–2  K ^–1

Widlar 使用的基本思想是通过将其与具有正温度系数的第二电压 V(R2) 相加来补偿基极发射极电压 V _BE的负 (–2 mV/K)温度系数。

电压参考规格

1.温度系数

参考电压随温度的变化由其温度系数 (TC) 定义，其单位为每摄氏度百万分之一 (ppm/°C)。

通常，温度系数可以用多项式的形式表示，如图4所示：

图 4：带隙电压基准的温度系数表达式

其中TC ₁ 代表一阶（线性）温度相关性，TC ₂ 代表二阶，依此类推。温度系数可以在几个不同的温度范围内指定，包括商业温度范围（0 至 70°C）、工业温度范围（–40°C 至 85°C）和扩展温度范围（–40°C至 125°C）。

德州仪器 (TI) 的 REF32xx 电压基准系列采用 SOT23-6 封装，额定漂移在 0°C 至 125°C 时为 7 ppm/°C，在 –40°C 至 125°C 时为 20 ppm/°C。有几种方法可以确定 TC，其中最常用的是框法。

箱式方法使用整个温度范围内最大和最小 V _REF值的差异计算 TC ，而其他方法使用温度范围端点（T _MIN、T _MAX）处的V _REF值。

使用这种方法，可以在指定的温度范围内形成一个具有最小/最大标称输出电压的盒子（图 5）。

图 5：用盒法定义温度系数

德州仪器 (TI) 的 LM4140 电压基准对于 A、B 和 C 等级的温度系数为 3、6 和 10 ppm/°C。

2. 初始错误

初始误差是设备开启并预热指定时间后的电压值。

3. 初始精度和焊锡偏移

电压参考 V _REF的初始精度 表明它在室温下如何接近规定的标称值。例如，LM4140 电压基准可提供 0.1% 的初始精度和低于带隙电压的输出电压。

影响初始精度的另一个因素称为“焊料偏移”，它涉及由于电压参考设备经历的热冲击而导致的标称电压 (@ 25°C) 偏差。这种热冲击是由焊接过程本身引起的，无法避免。

4. 长期稳定性

该参数是指在规定的时间内输出的变化，通常在标称条件下为 1,000 小时。对于德州仪器 (TI) 的 REF32XX 系列典型漂移，0 至 1,000 小时的值约为 55 ppm。

5. 噪音表现

噪声性能是叠加在参考电压输出中的电噪声。它可以包括热噪声和窄带 1/f 噪声。使用简单的RC网络即可有效滤除宽带噪声；1/f 型噪声规定在 0.1 至 10Hz 频率范围（峰峰值）内。例如，德州仪器 (TI) 提供的 LM4040 对于 2.5V 输出具有 35 µV RMS 的宽带噪声值。

5. 线路调节

线路调节（图 6）定义为输入电压变化引起的输出电压变化。

图 6：线路调节

电源抑制比 (PSRR) 很少可以作为电源电压噪声的衡量标准。为低等效串联电阻选择的电容器可以改善 PSRR 参数。

6. 负载调节

负载调整率是由负载电流变化产生的输出电压变化（以百万分之一为单位）（图 7）。

图 7：负载调节

7. 热滞

热滞后是 由一次或多次热偏移产生的V _REF值的偏移。热滞后的原因包括由于温度偏移、封装类型、模塑料、芯片连接材料和集成电路布局本身而导致的热机械感应芯片应力。

LM4140 的热滞后为百万分之 20。

AD580，三端带隙电压基准

Analog Devices AD580（图 8）是 1974 年推出的基于带隙的三端电压基准，也称为 Brokaw 单元。

图 8：AD580

AD580 有两个 8:1 发射极缩放晶体管 Q2、Q1，它们在相同的集电极电流下工作。带隙电压出现在 Q1 的基极。由于采用了激光修整的 R4 和 R5 电阻器，输出值可以调整为不同于标准带隙参考电压值（例如 2.5、5 VDC）的电压值。

来自 Robert J. Widlar 的 LM113

1971 年，Robert J. Widlar 推出了 National Semiconductor 制造的第一个带隙电压基准，并将其命名为 LM113（图 9）。

图 9：LM113

温度补偿齐纳二极管是最容易使用的电压基准。温度补偿齐纳二极管可获得的最低电压为 6.2 VDC。当工作电源电压为 6 VDC 或更低时，这使得很难获得零温度系数参考。

LM113 是一个 1.2-VDC、温度补偿并联稳压二极管。参考是使用晶体管和电阻器而不是嘈杂的击穿机制合成的。

图 10 显示了 –55°C 至 125°C 温度范围内输出电压的典型变化。参考电压随温度变化小于0.5%，温度系数与工作电流相对无关。

图 10：输出电压随温度变化

结论

基于硅带隙电压的电压基准是各种模拟集成电路的基本模块。带隙基准电压源具有良好的初始精度、长期稳定性和低噪声操作，可提供高于标准 1.25 VDC 的输出电压。

带隙基准也用于类似数字逻辑的发射极耦合逻辑，以提供不受温度和环境噪声影响的局部偏置电压。

此外，SPICE 模型通常可用于各种封装（三端子、DIP 等）中的大多数集成带隙基准。


审核编辑：刘清