了解基准电压源拓扑和规格

本文档讨论三种最常用的基准电压源拓扑结构。其中包括三端子串联基准电压源中的带隙和埋入式齐纳拓扑，以及两端子并联基准电压源中的齐纳拓扑。通用基准电压源参数的定义也揭开了神秘面纱。

介绍

选择基准电压源时首先要考虑输出电压和初始精度。然而，经常被忽视的是各种其他数据手册参数，这些参数在特定应用中可能具有重要意义。此外，在评估数据转换器（ADC或DAC）和基准电压源时，请务必考虑误差预算。

以下对基准电压源基础知识的讨论将帮助您更好地了解常见基准电压源类型以及与最常见基准电压源拓扑相关的性能参数：双端子分流器和三端子串联设计。

基准电压源的常见类型

有三种常见的基准电压源：带电电容、齐纳二极管和带隙。由于电离辐射引起的不稳定，充电电容器很少使用（特别是在安全应用中）。阿尔法射线、β射线、伽马射线和宇宙射线或机场、医院和运输安检中的普通 X 射线都会使电容器放电（通常在每次放电时电容器发生 7mV 的变化）。

齐纳二极管是第二种通用基准电压源，用于雪崩模式和雪崩模式。大多数雪崩模式齐纳二极管用于最稳定的地方（即，在尖膝处），高于约5.5V，具体取决于半导体工艺。在较低电压下，真正的齐纳二极管由于量子力学隧穿而工作。大多数齐纳噪声问题是由于芯片表面上的相关杂质造成的，通过将齐纳二极管埋在芯片表面内部或下方，埋入齐纳二极管可以克服这些问题。

最常见的基准电压源使用带隙。这是巧妙地使用两个具有不同电流密度的晶体管结，因此具有不同的温度系数。将两个具有相反温度系数的电压相减，形成几乎平坦的温度曲线。（有关带隙计算器（即PC仿真器）和概述了解工作参数所需设计步骤的手册，请参见应用笔记5062：“带隙参考计算器教程”。

串联和并联基准可以使用上述任何一种技术。附录将串联和分流配置与这些不同的技术进行了比较。

双端子分流基准

顾名思义，分流基准与其负载并联工作（图 1）。它可以看作是一个电压控制的吸电流器，其中控制电压施加到其输入端子。在未施加负载的情况下，分流基准吸收足够的电流，使R1两端的压降产生所需的输出电压（V在， h裁判R1 = V裁判).例如，如果 V在= 6.0V 和所需 V裁判为5.0V，基准电压源I裁判在R1两端产生0.1V压降。然后引用使 I裁判根据需要进行调整，以保持其输入端的5.0V电压。

图1.分流基准与其负载并联连接。

现在对引用应用负载。我裁判不再等于我R1，因为负载电流（IL）产生R1两端的部分压降。基准电压源自动将其灌电流减小 I 量L.因此，通过R1的总电流不会改变（即I裁判+ 我L等于原始 IR1).我R1在参考和负载之间分流，因此得名“并联参考”。并联基准通过调节其灌电流来调节输出电压，以对抗负载电流的变化。

三端子系列参考

串联基准与其负载串联工作（图 2）。它可以看作是一个电压控制的电阻，其中V外控制基准输入端和输出端之间的内阻。串联基准通过在其输入和输出之间产生压降来调节;压降等于负载电流与受控内阻的乘积。在未施加负载的情况下，串联基准吸收少量电流（IQ） 通过内阻 （R） 在输入和输出之间降低产生正确 V 所需的电压外.

图2.串联基准（其调节部分）与其负载串联。

随着负载电流的增加，基准电压源根据需要通过改变R来保持所需的输出电压，以在输入和输出之间产生正确的压降。应用欧姆定律，人们注意到，为了保持输入和输出之间的恒定下降，R 必须减小为 I外增加。

参考参数测量单位

指定精度等参数的单位因制造商而异。为了指定精度，常用的单位包括满量程百分比 （%）、百万分之一 （ppm）、分贝 （dB） 和电压 （V） 或微伏 （μV）。所有这些都是可以接受的，但要进行“苹果对苹果”比较，您必须能够将一个单位转换为任何其他单位。下文将阐明这些关系。

图3中的精度计算器有助于设计和分析基准电压源和数据转换器应用电路。它计算理想数据转换器的直流精度，涵盖模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。数据转换器的直流精度是与理想线性传递函数的最大偏差的量度。虽然HP 50g手持计算器是一个方便的工具，但也有一个免费的模拟器可以在许多使用Windows操作系统的计算机上运行。有关精度计算器（包括免费仿真器）的更多信息，请参阅 Steve 的模拟设计计算器。®®

图3.满量程 （%）、ppm、dB、V 和 μV 的精度。

满量程的精度百分比

表示参考精度的最常见方法是标称值的百分比，它甚至不是一个单位。它可能遵循表示电阻、电容器和电感器容差的惯例。参考的典型精度百分比规格为 1%、1.5%、2%、5% 等。虽然百分比精度可用于将一个基准电压源与另一个基准电压源进行比较，但它不能提供有关基准电压波动程度的具体信息。真正重要的是伏特的变化。

要确定以百分比精度指定的基准电压源的电压偏差，请将基准电压源的标称输出电压乘以百分比精度，然后除以100。例如，精确到±2.5%的1.5V基准电压源的偏差为：

±（2.5V × 1.5）/100 = ±0.0375V或±37.5mV

由于基准误差可能高于或低于标称误差，因此总偏差是该值的两倍，即75mV。总输出电压变化等于标称电压加上或减去误差电压：

2.5V ± 0.0375V=2.4625V ⇔ 5375V

了解基准电压源的这些电压限值可为基准电压源支持的电路提供特定的设计边界。

精度百万分之一

数据手册中的另一个参考精度单位是百万分之一或ppm。该单位通常用于指定温度系数和其他参数，这些参数在不同条件下变化很小。对于 2.5V 基准，1ppm 是 2.5V 或 2.5μV 的百万分之一。如果基准电压源精确到10ppm以内（对于任何基准电压源来说都非常好），则其输出容差为：

2.5V × 10/10-6= 25μV

将其转换为电压精度：

2.5V ± 25μV=2.499975V ⇔ 2.500025V

转换为百分比：

±（25E - 6V） × 100/2.5V = ±0.001%

精度（位）

使用术语“位”作为一个单位，如“16位参考”，有点令人困惑。它是否代表实际的精度测量值，或者是否意味着基准电压源对于16位ADC来说足够精确？16 位基准电压源的精度可能精确到 1 LSB 或 2 LSB，因此对于 16 位系统来说，它不一定足够。但是，“精确到16位”的参考是用硬数字指定的。

如果单位是由实际测量指定的，那么“精确到16位”只是参数的值除以以十进制形式表示的声称的位精度。例如，一个声称精度为2位的5.16V基准电压源（对于任何基准电压源来说，这是另一个极其精确的容差），其偏差不应超过16位的十进制等效值：216= 65536。因此，1 位是总值的 1/65536。在本例中，2.5/65536 ≈ 8μV。如果我们假设精度为1位（±1 LSB），输出电压可以比标称值高1位，即±38μV。

转换为电压精度：

2.5V ±38μV=2.499962V ⇔ 2.500038V

转换为百分比：

（±38E - 6V/2.5V） × 100 = ±0.0015%

参考文献重要的典型参数

初始准确性不言而喻。它是任何修剪设置的值。可以取出一个现成的零件，将其连接到自动测试设备（ATE）的测试电路中，并测量输出电压。测量值应在数据手册中规定的初始精度公差范围内。此规格通常仅适用于室温，具有定义的输入电压和负载电流。它为大多数其他规范提供了一个起点。初始精度公差会受到封装应力的影响，因此正确控制焊接温度曲线至关重要，并且必须将PCB的扭曲保持在最低限度。由于封装应力可能会开始改变货架上未通电的部件，因此初始精度公差可能会受到轻微漂移的影响;请参阅下面的温度滞后和长期漂移（稳定性）部分。这就是为什么许多行业，特别是军事行业，要求带有日期编码部件的新产品小于特定年龄的原因之一。

温度系数（tempco）是参考输出电压因环境或封装温度变化而引起的偏差。根据器件结构及其在初始校准期间调整输出电压的方式，输出电压偏差可以是正（随温度升高而增大）或负（随温度升高而减小）。它几乎从不与温度成线性关系，这有时会导致混淆。例如，从25°C到30°C的温度变化不太可能导致与从65°C到70°C的温度变化相同的输出电压变化，尽管温度升高是相同的。

以此类推，考虑一个简单的电阻分压器（图 4A）。公共点电压（V外） 是施加电压 （V ） 的一小部分在） 等于两个电阻值的比值。两个电阻随温度变化的百分比相同，保持恒定的比率，因此V外也保持不变。

图4.这个简单的电阻分压器类比表示一个电压基准电压源，一个空载（A）和负载（B）。

请注意，流过电阻的电流随温度变化，来自分压器公共点（正或负）的任何漏电流都会改变V外（图4B）。在室温下，这种变化通常通过调整其中一个电阻（改变其值）来补偿。但是，如果漏电流随温度的变化与电阻值随温度变化引起的分压器电流变化不同，则结果是V的变化外随着温度。五世外变化称为温度系数或温度系数。虽然这个类比简化了参考电路内更复杂的机制，但它传达了器件温度系数的概念。

温度迟滞是输出电压随温度变化周期的变化。为了测量这一点，请以典型应用中工作的基准电压源为例，其额定工作温度范围为-40°C至+85°C。 记录室温（+25°C）下的输出电压。将基准冷却至 -40°C，然后加热至 +85°C，然后再将其降至 25°C。 再次测量并记录输出电压。这些测量值的差异（如果有的话）是温度滞后。请注意，将其加热到 85°C，冷却到 -40°C，然后加热到 25°C 也是有效的。 偏差可以是正的，也可以是负的。经过多次温度循环后，可以推断出基准输出电压可能大不相同。然而，由于温度迟滞既有正有负，一系列温度周期产生的偏差往往会相互抵消，产生非常接近标称值的最终平均输出电压。此参数与模具上的应力相关。热循环倾向于平衡应力。通常在五个循环后，应力衰减到最小。但是，可以通过焊接或扭曲封装来重新引入应力。

线路调整率是测量由于输入电压变化而导致的输出电压变化的量度。如果基准电压源工作时输入电压发生变化，这一点很重要，例如在电池应用中。典型单位为 ppm/V 和 %/V。线路调整率是直流参数，通常在直流时指定。线路调节测量两个（或多个）不同直流输入电压的输出电压变化;如果输入电压快速变化，则与电压瞬变一样，它几乎没有意义。通常，线路调整率与线路电压变化的速率成反比。对于可能存在线路瞬变的应用，建议使用基准输入电容，以尽量减少由此产生的变化。

负载调整率是衡量由于基准负载电流变化而导致输出电压变化的指标。如果基准负载电流在基准工作时发生变化，例如，当基准驱动没有基准缓冲器的阻性梯形DAC时，此参数非常重要。梯形阻抗随DAC代码而显著变化。同样，负载调整率是一个直流参数，通常在直流时指定。它测量两个（或多个）不同直流负载电流的输出电压变化，如果负载电流快速变化，它几乎没有意义。通常，负载调整率与负载电流变化的速率成反比。建议使用输出电容来稳定负载电流瞬变应用中的输出电压。典型的测量单位是 ppm/mA、%/mA 和从空载到满载的变化百分比。

如果基准电压源必须在数天、数周或数年的连续运行中保持精确，则长期漂移（稳定性）非常重要。它只是测量在稳态工作的某些特定条件下输出电压在很长一段时间内的变化。长期漂移是较长时间内最大和最小输出电压偏差的量度，而不是“时间A”和“时间B”之间偏差的量度。所有其他条件（例如，温度、输入电压、负载电流）必须保持恒定，才能准确反映基准电压源中的漂移。典型单位为每 1000 小时 ppm。

电源电流是自我描述的，但请考虑这些变化。

对于串联基准，术语“空载电流”通常在数据手册中指定，并且通常与术语“静态电流”（IQ).由于空载电流指定了空载基准电压源消耗的实际电流，因此空载电流不指定该基准电压源在加载时消耗的电流。

典型并联基准在数据手册中未指定空载电流。相反，他们通常列出最小工作电流（I莫).此参数指定基准电压源为维持稳压而必须消耗的最小电流。请注意，分流基准电压源必须至少吸收满载条件下的最小工作电流。因此，其串联电阻 （R1） 必须适应最大负载电流和最小工作电流（图 5）。在某些应用中，忽略了最小工作电流（在某些数据手册中称为“调节电流”），因为它比负载电流小得多。

图5.电流是分析并联基准电压源工作的关键。

接地电流通常指定用于串联基准。它测量给定负载下的工作电流。串联基准与负载串联，因此测量流入基准输入的电流可得出负载电流和工作电流之和。通常测量接地电流以确定带负载串联基准的工作电流。

压差（V之） 在低压和电池供电设备中非常重要，仅适用于串联基准（在串联基准中，这与 I 相同莫上文讨论）。输入和输出电压之间的最小差值是允许基准电压源保持其指定精度（V外+ V之= 最小输入电压）。电池电压随着电池放电而下降。为了最大限度地延长电池的使用寿命，基准电压源必须保持精确的输出电压，同时由尽可能低的电池电压供电。因此，较低的压差允许在较低的电池电压下继续工作。密切注意规定压差的电流。零电流时的压差会给出人为的低值。这相当于当轨到轨输出接近供电轨时消耗小电流。

负载电容是基准驱动容性负载的能力，可能非常重要。由于典型基准电压源集成了反馈控制，因此容性负载引入的零点可能会影响其稳定性。这会在控制环路中产生较大的相移，从而在特定频率下产生正反馈。请仔细阅读数据手册，了解有关允许负载电容范围的信息。一些制造商仅在数据手册的文本中提及此限制，而不在参数表中提及此限制。

基准输出端的噪声很明显，但经常被忽视。基准电压源的噪声是由IC内部的有源和无源器件产生的随机信号，会影响其精度。例如，1mVP-P输出噪声电压将初始直流精度限制为不优于1mV。对于1.2V基准，仅此噪声电平将初始精度限制在约0.1%。

参考数据手册通常显示两个频段的噪声：低频噪声，范围为0.1Hz至10Hz，规格为μVP-P;和宽带噪声，范围为 10Hz 至 1kHz，规格为 μV有效值.在两个频段中指定噪声使电路设计人员能够区分宽带噪声和低频噪声，前者可以用实际的电容值进行滤除，后者则无法区分。此外，如果使用足够大的电容来滤除低频噪声，则基准电压源在其输出端放置如此大的电容时可能不稳定。有关热噪声计算器（即PC仿真器）和概述了解噪声参数所需设计步骤的手册，请参见应用笔记5059：“热噪声计算器教程”。

交流线路调整率通常不在规格表中指定，但它直接影响基准电压源的性能。在大多数应用中，基准电压存在电压尖峰。这些尖峰往往分布在很宽的频率范围内。基准电压源的精度与输入电压变化的频率成反比。由于通常未指定交流线路调整率，因此基准数据手册至少应包含显示典型交流线路调整率与频率的关系图。该图将指示基准电压源对输入系统噪声的灵敏度，并可用于确定所需的输入滤波。随着噪声频率的增加，输入滤波必须进一步降低输入系统噪声，以便基准电压源能够达到其额定精度。

电源抑制比（PSRR）有时在数据手册中指定。PSRR通常以dB为单位。它用于测量输入电源输出端器件抑制了多少噪声（PSRR = ΔV抄送/ΔV外).

交流负载调整率/输出阻抗是基准电压源规格表中经常省略的另一个重要参数。如果从基准获取的负载电流不断变化，则此参数很重要。基准电压源的精度通常与负载变化频率成反比。参考数据手册中应包含显示交流负载调整率或交流输出阻抗与频率的关系图。该图应显示已知输出负载变化所需的输出滤波，以实现基准电压源的额定精度。

线路瞬态响应通常显示为示波器屏幕截图，显示输入电压的阶跃变化以及由此产生的输出电压变化和校正。此屏幕截图显示引用在发生此类事件后恢复到指定精度的恢复时间。重要的是要注意使用的输入和输出电容值。这些电容对基准电压源的性能有巨大的影响。

负载瞬态响应/输出建立时间通常显示为示波器屏幕截图，显示输出电流的阶跃变化以及由此产生的输出电压变化和校正。此屏幕截图显示引用在发生此类事件后恢复到指定精度的恢复时间。重要的是要注意使用的输入和输出电容值。这些电容对基准电压源的性能有巨大的影响。

开启/关闭建立时间。导通建立时间是基准电压源在初始上电后稳定速度的指标。输出只需要稳定，不一定达到基准电压源的指定精度。通常，此参数的输出电压误差大于指定精度;它应始终在参数的条件中给出。该参数高度依赖于所使用的输入和输出电容值以及施加到基准电压源的负载。基准电压源在上电时遇到电流限制的情况并不少见，此时它们必须对所有负载电容充电。关断时间是基准电压几乎达到零伏所需的时间的简单度量。该参数还高度依赖于所使用的输入和输出电容值以及施加到基准电压源的负载。

输出短路电流是一种保护功能，可以是对GND的短路，也可以是对输入的短路。它是输出引脚短路至GND或IN时的输出电流测量值。通常，这是零件在最大热应力下进入的故障条件。在数据手册的“绝对最大额定值”部分中，显示了一段持续时间，以指定器件在此条件下可以工作多长时间。

结论

电压基准电压源通常是匆忙选择的。在做出决定之前，设计人员会查看价格、数据手册上突出显示的初始精度，通常不会查看其他任何内容。确保在比较参考文献时比较“苹果与苹果”。在评估多个数据手册中列出的规格时，请确保所有规格都以相同的单位表示。确定哪些参数对您的应用很重要，并超越初始精度规格。

审核编辑：郭婷