還有什么比基準電壓源（簡單、恒定的基準電壓）更基本的呢？與所有設計主題一樣，需要權衡取舍。本文討論不同類型的基準電壓源、其關鍵規(guī)格以及設計權衡，包括精度、溫度獨立性、電流驅動能力、功耗、穩(wěn)定性、噪聲和成本。

您可以在幾乎所有先進的電子產品中找到電壓基準，無論是獨立的還是集成到更大的功能中。了解技術和系統(tǒng)誤差預算是一個重要的設計考慮因素。由于篇幅有限，我們建議在涉及系統(tǒng)概念時進一步閱讀腳注。例如：

在穩(wěn)壓器中，基準電壓源提供與輸出進行比較的已知值，以產生用于調節(jié)輸出電壓的反饋.

應用中可能需要遠程電壓調節(jié)和電源裕量調節(jié)

在數(shù)據(jù)轉換器中，基準電壓源提供絕對電壓與輸入電壓進行比較，以確定正確的數(shù)字代碼.

模數(shù)轉換器（ADC）和基準電壓源的誤差預算;或數(shù)模轉換器 （DAC） 和基準電壓組合

其他數(shù)據(jù)轉換器誤差源、有效分辨率和位數(shù)

用于轉換器精度和時鐘抖動、信號帶寬和 THD 的工具和計算器

在電壓檢測器電路中，基準用作設置跳變點的絕對閾值

所需的規(guī)格取決于應用。本文討論不同類型的基準電壓源、其關鍵規(guī)格和設計權衡。它提供的信息可幫助設計人員為其應用選擇最佳基準電壓源。

理想

理想的基準電壓源具有完美的初始精度，并保持其電壓，而不受負載電流、溫度和時間變化的影響。在現(xiàn)實世界中，設計人員必須權衡以下因素：初始電壓精度、電壓溫度漂移和遲滯、電流源和灌電流能力、靜態(tài)電流（或功耗）、長期穩(wěn)定性、噪聲和成本。

參考類型

兩種最常見的基準電壓源類型是齊納和帶隙12, 13.齊納二極管通常用于雙端子分流拓撲。帶隙基準電壓源通常用于三端串聯(lián)拓撲。

齊納二極管和并聯(lián)拓撲

齊納二極管是針對反向偏置擊穿區(qū)域工作而優(yōu)化的二極管。由于擊穿相對恒定，因此可以通過在相反方向上驅動已知電流來產生穩(wěn)定的基準電壓源。

齊納二極管的一大優(yōu)勢是電壓范圍廣，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。

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，并且它們的功耗使其難以適應低功耗應用。一個例子是BZX84C2V7LT1G，其擊穿或標稱基準電壓為2.5V，變化范圍為2.3V至2.7V，精度為±8%。這僅適用于需要很少精度的應用。

齊納基準電壓源的另一個問題是輸出阻抗。上面的例子在100mA時的內部阻抗為5Ω，在600mA時的內部阻抗為1Ω。非零阻抗會導致基準電壓的額外變化，具體取決于負載電流的變化。選擇具有低輸出阻抗的齊納二極管可將這種影響降至最低。

埋入式齊納二極管是一種特殊類型的齊納二極管，由于其結構，它們位于硅表面以下，因此比普通齊納二極管更穩(wěn)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。電路使器件能夠顯著改善齊納二極管的經典限制。MAX6330就是這樣一種器件。該器件在 1μA 至 5mA 負載變化范圍內具有 100.50% （最大值） 的極小初始精度。此類IC的典型實現(xiàn)如圖1所示。

圖1.使用MAX6330作為有源電路，模擬齊納二極管。

選擇合適的分流電阻器

所有并聯(lián)配置基準都需要一個與基準元件串聯(lián)的限流電阻。它可以通過以下公式計算：

其中：

VIN是輸入電壓范圍
VSHUNT是調節(jié)電壓
ILOAD 是輸出電流范圍
ISHUNT 是最小分流工作電流

請注意，分流電路始終消耗I負荷（最大值） + I分流是否存在負載。

相同的分流器可用于 10V在或 100V在通過正確調整 R 的大小S.為 R 選擇最大標稱電阻值S提供最低的電流消耗。請記住提供安全裕度，以考慮所用電阻的最壞情況容差。您還應該使用以下兩個一般功率公式之一來確保電阻的額定功率足夠：

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

帶隙基準和串聯(lián)模式拓撲

并聯(lián)基準和串聯(lián)基準之間的主要區(qū)別在于，三個端子串聯(lián)模式基準不需要外部電阻，靜態(tài)功耗顯著降低。最常見的形式是無處不在的帶隙基準電壓源。

帶隙基礎知識

帶隙基準電壓源產生兩個電壓：一個具有正溫度系數(shù)（tempco），另一個具有負溫度系數(shù)。它們一起在輸出端有一個零溫度總和。

正溫度系數(shù)通常由兩個V的差值得出是在不同的當前級別運行。負溫度系數(shù)使用V的自然負溫度系數(shù)是電壓（見圖2）。

實際上，溫度和并不完全為零。根據(jù) IC 電路設計、封裝和制造測試能力等設計細節(jié)，這些器件通常可以實現(xiàn) V外溫度系數(shù)在每攝氏度 1 到 100ppm 之間。

圖2.帶隙基準電壓源。

Maxim的帶隙參考計算器（BGRC）用戶指南（計算器zip文件中）允許對Brokaw帶隙參考單元進行仿真。在絕對零度至175°C的溫度下，顯示了調整帶隙的效果。 曲率校正電路也是可調的，使設計工程師能夠了解參考IC設計過程。設計背后的物理原理隨著對由此產生的誤差波形和幅度的理解而變得顯而易見。

分流或串聯(lián)拓撲的使用通常由應用和所需性能決定。有關并聯(lián)拓撲中的齊納二極管與串聯(lián)拓撲中的帶隙之間的一些比較，請參見表1。

系統(tǒng)設計問題和參考選擇

功耗

如果設計中精密系統(tǒng)，如高效率、±5%電源或功耗極低的8位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以使用MAX6025或MAX6192等器件。兩款基準均為 2.5V 基準，最大功耗為 35μA。它們具有非常低的輸出阻抗，因此基準電壓幾乎與I無關外.

拉電流和灌電流

另一個規(guī)格是基準源的源電流和吸收電流的能力。

大多數(shù)應用需要一個基準電壓源來源出負載電流，當然，基準電壓源需要能夠提供所需的負載電流。它還需要提供任何I偏見或漏電流——它們的總和有時會超過負載電流。

對于MAX1110這樣的轉換器，ADC和DAC通常需要數(shù)十微安電流，而對于AD10這樣的器件，通常需要7886mA （最大值）。MAX6100–MAX6107系列基準提供5mA電流，吸收2mA電流。對于非常重的負載，MAX6225/MAX6226/MAX6241/MAX6250系列的源電流和吸收電流范圍為10mA至15mA。

溫度漂移

溫度漂移通常是一個可修正的參數(shù)14, 15.這通常是一個非常可重復的錯誤。校正可以通過添加校準步驟或從先前表征的查找函數(shù)中讀取值來完成。

輸出電壓溫度遲滯

該參數(shù)定義為參考溫度（+25°C）下由于順序但相反的溫度偏移（即熱到冷，然后從冷到熱）引起的輸出電壓變化。由于這種效應，可能會產生非常負面的影響，因為它的幅度與系統(tǒng)所經歷的溫度偏移成正比。在許多系統(tǒng)中，這種類型的錯誤不是很可重復。該參數(shù)是IC電路設計以及封裝效果的函數(shù)。例如：MAX6001器件采用3引腳SOT23，典型溫度遲滯為130ppm。但更大、更穩(wěn)定的封裝，如6190引腳SO封裝的MAX8，只有75ppm。

校準16, 17, 18, 19, 20

校準在高分辨率系統(tǒng)中非常常見。在16位系統(tǒng)中，商用（1°C至+0°C）溫度范圍需要優(yōu)于70ppm/°C的基準電壓源，以在整個范圍內保持在±1 LSB以內，基準電壓點為+25°C。ΔV = （1ppm/°C × 5V × 45°C） = 255μV。這種在工業(yè)溫度范圍內擴展的相同溫度漂移僅對14位系統(tǒng)是可以接受的。

為什么要校準、校正元件容差、增益和失調16, 17.

ADC和DAC精度和熱噪聲的免費計算器19, 20.

仿真、去耦電容器和濾波器的設計工具（免費或低成本）18.

校準電路的想法、技巧和常見問題解答21, 22, 23, 24.

噪聲

噪聲通常由隨機熱噪聲組成，但也可能包括閃爍噪聲和其他雜散源。MAX6079、MAX6250和MAX6350都是12μV低噪聲應用的理想選擇。P-P， 3μVP-P和 3μVP-P分別是噪聲性能。所有這些對測量的影響都小于1 LSB。人們可能會過度采樣和平均，但這是以處理器功率和增加系統(tǒng)復雜性和成本為代價的。

Maxim的《熱噪聲計算器（TNC）用戶指南》（計算器zip文件）有助于分析電阻和其他噪聲源中的熱噪聲。TNC發(fā)現(xiàn)任何器件產生的噪聲電壓，如果其白噪聲頻譜密度和1/f轉折頻率已知。TNC也可以在HP 50g計算器或使用免費模擬器程序的PC上運行。

圖3.典型頻譜噪聲密度。

熱噪聲計算器可以顯示客戶在指定帶寬上的噪聲貢獻。

長期穩(wěn)定性

此參數(shù)定義為電壓隨時間的變化。這主要是由于封裝或器件系列中存在的芯片應力或離子遷移。重要的是要注意，電路板清潔度會隨著時間的推移而表現(xiàn)出長期變化;尤其是過溫濕度。這種影響有時可能大于固有的設備穩(wěn)定性。長期穩(wěn)定性通常僅在參考溫度下指定，通常為+25°C。

總結

設計任何系統(tǒng)的困難在于平衡權衡：成本、尺寸、精度、功耗等。在為設計選擇最佳基準時，考慮所有相關參數(shù)非常重要。值得注意的是，由于制造階段補償/校準成本的降低，很多時候更昂貴的組件可以降低系統(tǒng)總成本。

審核編輯：郭婷