還有什么比參考電壓更基本的東西——一個簡單的、恒定的參考電壓?與所有設計主題一樣,需要權衡取舍。本文討論了不同類型的電壓基準、它們的關鍵規格以及設計權衡,包括精度、溫度無關性、電流驅動能力、功耗、穩定性、噪聲和成本。
理想
理想電壓基準具有完美的初始精度,并能獨立于負載電流、溫度和時間的變化而保持其電壓。在現實世界中,設計人員必須進行權衡,例如:初始電壓精度、電壓溫度漂移和遲滯、電流源和吸收能力、靜態電流(或功耗)、長期穩定性、噪聲和成本。
參考類型
兩種最常見的參考類型是齊納和帶隙。齊納二極管通常用于兩端并聯拓撲。帶隙基準通常用于三端串聯拓撲。
齊納二極管和并聯拓撲
齊納二極管是針對在反向偏置擊穿區域中工作而優化的二極管。由于擊穿是相對恒定的,它可用于通過反向驅動已知電流來產生穩定的參考。
齊納二極管的一大優勢是可用的電壓范圍很廣,從 2V 到 200V。它們還具有廣泛的功率處理能力,從幾毫瓦到幾瓦不等。
齊納二極管的主要缺點是它們對于高精度應用來說不夠精確,而且它們的功耗使得它們很難適用于低功率應用。一個例子是 BZX84C2V7LT1G,它的擊穿電壓或標稱參考電壓為 2.5V,變化范圍為 2.3V 至 2.7V,精度為 ±8%。這僅適用于精度要求不高的應用。
齊納參考的另一個問題是輸出阻抗。我們上面的例子的內部阻抗在 5mA 時為 100Ω,在 1mA 時為 600Ω。根據負載電流的變化,非零阻抗會導致參考電壓的額外變化。選擇具有低輸出阻抗的齊納二極管可以最大限度地減少這種影響。
埋入式齊納二極管是一種特定類型的齊納二極管,由于其結構將它們置于硅表面之下,因此比普通齊納二極管更穩定。
實際齊納二極管的替代方案是模擬齊納二極管的有源電路。電路允許器件顯著改進齊納二極管的經典局限性。MAX6330就是這樣一種器件。它在 100μA 至 50mA 的負載變化范圍內具有嚴格的 1.5%(最大)初始精度。這種類型的 IC 的典型實現如圖 1 所示。
選擇合適的分流電阻器
所有分流配置參考都需要一個與參考元件串聯的限流電阻器。它可以從以下等式計算:
RS = (VIN(max) – VSHUNT (min))/(ISHUNT (max) + ILOAD(min)) ≤ RS ≤ (VIN (min) – VSHUNT (max))/(ISHUNT (min) + ILOAD (max) )
其中:
- VIN 是輸入電壓范圍
- VSHUNT 是穩壓電壓
- ILOAD 是輸出電流范圍
- ISHUNT 是最小分流工作電流
請注意,無論是否存在負載,分流電路始終消耗 ILOAD(最大值)+ISHUNT。
通過適當調整 RS 的大小,相同的分流器可用于 10VIN 或 100VIN。為 RS 選擇最大的標稱電阻值可實現最低的電流消耗。請記住提供一個安全裕度,以納入所用電阻器的最壞情況容差。您還應該確保電阻器的額定功率足夠,使用以下兩個通用功率方程之一:
PR = IIN(VIN(max) – VSHUNT)
= I2INRS
= (VIN(max) – VSHUNT)2/RS
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