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选择最佳的电压基准源

2020-04-25 09:01:56

选择最佳的电压基准源

摘要：电压基准源简单、稳定的基准电压，作为电路设计的一个关键因素，电压基准源的选择需要考虑多方面的问题并作出折衷。本文讨论了不同类型的电压基准源以及它们的关键特性和设计中需要考虑的问题，如精确度、受温度的影响程度、电流驱动能力、功率消耗、稳定性、噪声和成本。

几乎在所有先进的电子产品中都可以找到电压基准源，它们可能是独立的、也可能集成在具有更多功能的器件中。例如：

  • 在数据转换器中，基准源提供了一个绝对电压，与输入电压进行比较以确定适当的数字输出。
  • 在电压调节器中，基准源提供了一个已知的电压值，用它与输出作比较，得到一个用于调节输出电压的反馈。
  • 在电压检测器中，基准源被当作一个设置触发点的门限。

要求什么样的指标取决于具体应用，本文讨论不同类型的电压基准源、它们的关键指标和设计过程中要综合考虑的问题。为设计人员提供了选择最佳电压基准源的信息。

理想情况

理想的电压基准源应该具有完美的初始精度，并且在负载电流、温度和时间变化时电压保持稳定不变。实际应用中，设计人员必须在初始电压精度、电压温漂、迟滞以及供出/吸入电流的能力、静态电流(即功率消耗)、长期稳定性、噪声和成本等指标中进行权衡与折衷。

基准源的类型

两种常见的基准源是齐纳和带隙基准源。齐纳基准源通常采用两端并联拓扑；带隙基准源通常采用三端串连拓扑。

齐纳二极管和并联拓扑

齐纳二极管优化工作在反偏击穿区域，因为击穿电压相对比较稳定，可以通过一定的反向电流驱动产生稳定的基准源。

齐纳基准源的最大好处是可以得到很宽的电压范围，2V到200V。它们还具有很宽范围的功率，从几个毫瓦到几瓦。

齐纳二极管的主要缺点是精确度达不到高精度应用的要求，而且，很难胜任低功耗应用的要求。例如：BZX84C2V7LT1，它的击穿电压，即标称基准电压是2.5V，在2.3V至2.7V之间变化，即精确度为±8%，这只适合低精度应用。

齐纳基准源的另一个问题是它的输出阻抗。上例中器件的内部阻抗为5mA时100Ω和1mA时600Ω。非零阻抗将导致基准电压随负载电流的变化而发生变化。选择低输出阻抗的齐纳基准源将减小这一效应。

埋入型齐纳二极管是一种比常规齐纳二极管更稳定的特殊齐纳二极管，这是因为采用了植入硅表面以下的结构。

作为另一种选择，可以用有源电路仿真齐纳二极管。这种电路可以显著改善传统齐纳器件的缺点。MAX6330就是一个这样的电路。负载电流在100µA至50mA范围变化时，具有1.5% (最大)的初始精度。此类IC的典型应用如图1所示。

图1.
图1.

选择合适的并联电阻

所有的并联结构基准都需要一个与其串联的限流电阻。可以按照下式选择电阻：

(VIN(max)-VSHUNT(min)) / (ISHUNT(max)+ ILOAD(min)) < RS < (VIN(min) -VSHUNT(max)) / (ISHUNT(min) + ILOAD(max))

其中：

VIN是输入电压
VSHUNT是调节后的电压
ILOAD是输出电流
ISHUNT是最小并联工作电流。

注意，无论是否加有负载，并联电路消耗的电流都是ILOAD(max) + ISHUNT。

选择合适的RS，相同的并联基准源可以用于10Vin或100Vin。为RS的最大标称阻值对应于最小的电流消耗。注意，要保证一个满足电阻误差容限最差时的安全余量。利用下式，可确保电阻有足够的额定功率：

PR = IIN(VIN(max) - VSHUNT)
= I2INRS
= (VIN(max) - VSHUNT)2/RS


 

带隙基准源和串联模式拓扑

并联基准源和串联基准源的最大不同是三端串联模式电压基准不需要外部电阻，并且静态功耗要小得多。最常见的是带隙基准源。

带隙基准

带隙基准源提供两个电压：一个具有正温度系数、另一个具有负温度系数。两者配合使输出温度系数为零。

正温度系数是由于运行在不同电流水平上两个Vbe的差异产生的；负温度系数来自于Vbe电压本身的负值温度系数(见图2)。

在实际应用中，两个温度系数之和并不精确为零。这依赖于很多设计细节，如IC电路设计、封装和制造测试等，这些器件通常可以实现每摄氏度5至100ppm的Vout温度系数。

图2. 带隙电压基准源
图2. 带隙电压基准源

采用并联还是串联结构一般由应用和希望达到的性能决定。表1是并联结构的齐纳基准与串联结构的带隙基准的对照表。

表1. 电压基准对照表

What Zener - Shunt Topology Buried Zener - Shunt Topology Band-Gap - Series Topology
Pro's
  • Wide/high Vin capable
  • Best for non-power criTIcal applicaTIons due to higher Iquiescent (1-10mA)
  • >1% FS iniTIal Accy.
    		•
  • Wide/high Vin capable
  • Best for non-power criTIcal applications due to higher Iquiescent (1-10mA)
  • 0.01% to 0.1% FS Initial Accy
    		•
  • Typically lower Vin range
  • Low Quiescent current(uA to ~1mA)
  • No ext resistor
  • Lower Iquiescent
  • 0.05% to 1% FS initial Accy
  • Low dropout voltages
    • Con's
  • Current is always used
  • Requires external resistor
  • Lower precision
  • Can only sink current
  • High dropout voltage
    		•
  • Higher Iquiescent than bandgaps
    		•
  • Limited Vin range
  • Pass element losses
    • Gotcha's
  • Long-Term stability
  • Not all Series devices sink current
  • Not all Series devices sink current

    • 系统设计问题和基准源的选择

    功耗
    如果设计中等精确度的系统，比如一个高效率、±5%电源或者是需要很小功率的8位数据采样系统，可以使用MAX6025或MAX6192这类器件。这两个器件都是2.5V的基准源，最大消耗电流为35µA。它们的输出阻抗非常低，因此基准电压几乎完全不受IOUT影响。

    供出和吸入电流
    另一个指标是基准源供出和吸入电流的能力。

    大多数应用都需要电压基准源为负载供电，当然，要求基准源有能力提供负载所需的电流。它还需要提供所有的Ibias或漏电流D这些电流之和有时会超过负载电流。

    ADC和DAC所需要的典型基准源电流在几十微安(如MAX1110)至10mA (最大值，如AD7886)。MAX6101-5系列基准源能提供5mA电流，吸入电流2mA。对于较重负载，可选择MAX6225/41/50系列基准源，它们能提供15mA的供出和吸入电流。

    温漂
    温漂通常是一个可校准的参数。它一般是可重复性的误差。通过校准或从以前得到的特性中查找取值可以实现这一误差的修正。

    校准对于高分辨率系统是非常有用。对一个16位系统，如果要在整个商用温度范围(0°C至70°C，以25°C为基准点)保持精度在±1 LSB以内，该基准源的漂移必须小于1ppm/°C，ΔV = 1ppm/°C * 5V * 45°C) = 255µV。相同的温度漂移扩展到工业温度范围下只能适用于14位系统。

    噪声
    噪声通常是随机热噪声，也可能包含闪烁噪声和其它的寄生噪声源。对于低噪声应用MAX6150、MAX6250 和MAX6350是很好的选择，其噪声性能分别为35µV，3µV和3µVP-P所有这些对测量引入的噪声都小于1 LSB。可以用多次采样然后取平均的方法减小噪声，其代价是增加了处理器的工作负担、提高了系统的复杂度和成本。

    输出电压温度迟滞
    该参数定义为在参考温度下(25°C)由于温度连续偏移(从热到冷，然后从冷到热)所引起的输出电压的变化。这一效应将导致负面影响，因为它的幅度直接与系统所处环境的温度偏移成比例。在许多系统中，这种误差一般不具有可重复性，受IC电路设计和封装的影响。例如，3引脚SOT23封装的MAX6001，温度迟滞典型值为130ppm。而采用更大尺寸、更稳定的封装，比如SO-8的MAX6190，该参数值只有75ppm。

    长期稳定性
    这个参数定义为电压随时间的变化，它主要是由封装或系列器件中的管芯应力或离子迁移引起的。注意保持电路板的洁净度，这也是一个影响长期稳定性的因素，尤其是它会随温度和湿度的变化而变化，这一影响有时比器件内在稳定性的影响还要大。长期稳定性通常定义在25°C参考温度下。

    总结

    任何系统设计的难点都在于在成本、体积、精确度、功耗等诸多因素的平衡与折衷。为具体设计选择最佳基准源时需要考虑所有相关参数。有趣的是，很多时候选用较贵的元件反而使系统的整体成本更低，因为它可以降低制造过程中补偿和校准的花销。

    表2. Maxim电压基准的精简列表

    Part Number Output Voltage (V) Supply Voltage Range (V) Temp. Drift (ppm/°C max) Initial Accuracy TA=+25°C (% F.S. max) Quiescent Current (mA max) 0.1Hz to 10Hz Noise(µVp-p), max (typ) Package Options Temp. Ranges*
    MAX6160 Adj.(1.23 to 12.4) 2.7 to 12.6 100 1 100µA (15) SOT143, SO E
    MAX6120 1.2 2.4 to 11 100 1 70µA (10) SOT23, SO E
    MAX6520 1.2 2.4 to 12.6 50 1 70µA (10) SOT23, SO E
    MAX6001 1.25 2.5 to 12.6 100 1 45µA 25 SOT23 E
    MAX6012 1.25 2.5 to 12.6 20 to 30 0.3 to 0.5 35µA 25 SOT23 E
    MAX6190 1.25 2.5 to 12.6 5 to 25 0.16 to 0.48 35µA 25 SO E
    MAX6021 2.048 2.5 to 12.6 20 to 30 0.2 to 0.4 35µA 40 SOT23 E
    MAX6191 2.048 2.5 to 12.6 5 to 25 0.1 to 0.5 35µA 40 SO E
    MAX872 2.5 2.7 to 20 40 0.2 10µA (60) DIP, SO C, E
    MAX873 2.5 4.5 to 18 7 to 20 0.06 to 0.1 28µA (16) DIP, SO C, E
    MAX6002 2.5 2.7 to 12.6 100 1 45µA 60 SOT23 E
    MAX6025 2.5 2.7 to 12.6 20 to 30 0.2 to 0.4 35µA 60 SOT23 E
    MAX6125 2.5 2.7 to 12.6 50 1 100µA (15) SOT23, SO E
    MAX6192 2.5 2.7 to 12.6 5 to 25 0.1 to 0.4 35µA 60 SO E
    MAX6225 2.5 8 to 36 2 to 5 0.04 to 0.1 2.7 (1.5) DIP, SO C, E
    MAX6325 2.5 8 to 36 1 to 2.5 0.04 2.7 (1.5) DIP, SO C, E
    MAX6003 3 3.2 to 12.6 100 1 45µA 75 SOT23 E
    MAX6030 3 3.2 to 12.6 20 to 30 0.2 to 0.4 35µA 75 SOT23 E
    MAX6193 3 3.2 to 12.6 5 to 25 0.07 to 0.33 35µA 75 SO E
    MAX874 4.096 4.3 to 20 40 0.2 10µA (60) DIP, SO C, E
    MAX6004 4.096 4.3 to 12.6 100 1 45µA 100 SOT23 E
    MAX6041 4.096 4.3 to 12.6 20 to 30 0.2 to 0.4 35µA 100 SOT23 E
    MAX6141 4.096 4.3 to 12.6 50 1 105µA (25) SOT23, SO E
    MAX6198 4.096 4.3 to 12.6 5 to 25 0.05 to 0.24 35µA 100 SO E
    MAX6241 4.096 8 to 36 2 to 5 0.025 to 0.1 2.9 (2.4) DIP, SO C, E
    MAX6341 4.096 8 to 36 1 to 2.5 0.025 2.9 (1.5) DIP, SO C, E
    MAX6045 4.5 4.7 to 12.6 20 to 30 0.2 to 0.4 35µA 110 SOT23 E
    MAX6145 4.5 4.7 to 12.6 50 1 105µA (30) SOT23, SO E
    MAX6194 4.5 4.7 to 12.6 5 to 25 0.04 to 0.22 35µA 110 SO E
    MAX675 5 8 to 33 12 to 20 0.15 1.4 15 TO-99, DIP, SO C, E
    MAX875 5 7 to 18 7 to 20 0.06 to 0.1 0.28 (32) DIP, SO C, E
    MAX6005 5 5.2 to 12.6 100 1 45µA 120 SOT23 E
    MAX6050 5 5.2 to 12.6 20 to 30 0.2 to 0.4 35µA 120 SOT23 E
    MAX6150 5 5.2 to 12.6 50 1 110µA (35) SOT23, SO E
    MAX6195 5 5.2 to 12.6 5 to 25 0.04 to 0.2 35µA 120 SO E
    MAX6250 5 8 to 36 2 to 5 0.02 to 0.1 3 (3) DIP, SO C, E
    MAX6350 5 8 to 36 1 to 2.5 0.02 3 (1.5) DIP, SO C, E
    REF02 5 8 to 33 8.5 to 250 0.3 to 2 1.4 15 TO-99, DIP, SO C


    *温度范围：C = 0°C至+70°C，E = -40°C至85°C

    文献

    1) The Art of Electronics, by Paul Horowitz & Winfield Hill, Chapter 6
    2) Micro-Electronic Circuits, by Adel S. Sedra & Kenneth C. Smith

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