本文檔討論三種最常用的基準電壓源拓撲結構。其中包括三端子串聯基準電壓源中的帶隙和埋入式齊納拓撲，以及兩端子并聯基準電壓源中的齊納拓撲。通用基準電壓源參數的定義也揭開了神秘面紗。

介紹

選擇基準電壓源時首先要考慮輸出電壓和初始精度。然而，經常被忽視的是各種其他數據手冊參數，這些參數在特定應用中可能具有重要意義。此外，在評估數據轉換器（ADC或DAC）和基準電壓源時，請務必考慮誤差預算。

以下對基準電壓源基礎知識的討論將幫助您更好地了解常見基準電壓源類型以及與最常見基準電壓源拓撲相關的性能參數：雙端子分流器和三端子串聯設計。

基準電壓源的常見類型

有三種常見的基準電壓源：帶電電容、齊納二極管和帶隙。由于電離輻射引起的不穩定，充電電容器很少使用（特別是在安全應用中）。阿爾法射線、β射線、伽馬射線和宇宙射線或機場、醫院和運輸安檢中的普通 X 射線都會使電容器放電（通常在每次放電時電容器發生 7mV 的變化）。

齊納二極管是第二種通用基準電壓源，用于雪崩模式和雪崩模式。大多數雪崩模式齊納二極管用于最穩定的地方（即，在尖膝處），高于約5.5V，具體取決于半導體工藝。在較低電壓下，真正的齊納二極管由于量子力學隧穿而工作。大多數齊納噪聲問題是由于芯片表面上的相關雜質造成的，通過將齊納二極管埋在芯片表面內部或下方，埋入齊納二極管可以克服這些問題。

最常見的基準電壓源使用帶隙。這是巧妙地使用兩個具有不同電流密度的晶體管結，因此具有不同的溫度系數。將兩個具有相反溫度系數的電壓相減，形成幾乎平坦的溫度曲線。（有關帶隙計算器（即PC仿真器）和概述了解工作參數所需設計步驟的手冊，請參見應用筆記5062：“帶隙參考計算器教程”。

串聯和并聯基準可以使用上述任何一種技術。附錄將串聯和分流配置與這些不同的技術進行了比較。

雙端子分流基準

顧名思義，分流基準與其負載并聯工作（圖 1）。它可以看作是一個電壓控制的吸電流器，其中控制電壓施加到其輸入端子。在未施加負載的情況下，分流基準吸收足夠的電流，使R1兩端的壓降產生所需的輸出電壓（V在， h裁判R1 = V裁判).例如，如果 V在= 6.0V 和所需 V裁判為5.0V，基準電壓源I裁判在R1兩端產生0.1V壓降。然后引用使 I裁判根據需要進行調整，以保持其輸入端的5.0V電壓。

圖1.分流基準與其負載并聯連接。

現在對引用應用負載。我裁判不再等于我R1，因為負載電流（IL）產生R1兩端的部分壓降?；鶞孰妷涸醋詣訉⑵涔嚯娏鳒p小 I 量L.因此，通過R1的總電流不會改變（即I裁判+ 我L等于原始 IR1).我R1在參考和負載之間分流，因此得名“并聯參考”。并聯基準通過調節其灌電流來調節輸出電壓，以對抗負載電流的變化。

三端子系列參考

串聯基準與其負載串聯工作（圖 2）。它可以看作是一個電壓控制的電阻，其中V外控制基準輸入端和輸出端之間的內阻。串聯基準通過在其輸入和輸出之間產生壓降來調節;壓降等于負載電流與受控內阻的乘積。在未施加負載的情況下，串聯基準吸收少量電流（IQ） 通過內阻 （R） 在輸入和輸出之間降低產生正確 V 所需的電壓外.

圖2.串聯基準（其調節部分）與其負載串聯。

隨著負載電流的增加，基準電壓源根據需要通過改變R來保持所需的輸出電壓，以在輸入和輸出之間產生正確的壓降。應用歐姆定律，人們注意到，為了保持輸入和輸出之間的恒定下降，R 必須減小為 I外增加。

參考參數測量單位

指定精度等參數的單位因制造商而異。為了指定精度，常用的單位包括滿量程百分比 （%）、百萬分之一 （ppm）、分貝 （dB） 和電壓 （V） 或微伏 （μV）。所有這些都是可以接受的，但要進行“蘋果對蘋果”比較，您必須能夠將一個單位轉換為任何其他單位。下文將闡明這些關系。

圖3中的精度計算器有助于設計和分析基準電壓源和數據轉換器應用電路。它計算理想數據轉換器的直流精度，涵蓋模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）。數據轉換器的直流精度是與理想線性傳遞函數的最大偏差的量度。雖然HP 50g手持計算器是一個方便的工具，但也有一個免費的模擬器可以在許多使用Windows操作系統的計算機上運行。有關精度計算器（包括免費仿真器）的更多信息，請參閱 Steve 的模擬設計計算器。??

圖3.滿量程 （%）、ppm、dB、V 和 μV 的精度。

滿量程的精度百分比

表示參考精度的最常見方法是標稱值的百分比，它甚至不是一個單位。它可能遵循表示電阻、電容器和電感器容差的慣例。參考的典型精度百分比規格為 1%、1.5%、2%、5% 等。雖然百分比精度可用于將一個基準電壓源與另一個基準電壓源進行比較，但它不能提供有關基準電壓波動程度的具體信息。真正重要的是伏特的變化。

要確定以百分比精度指定的基準電壓源的電壓偏差，請將基準電壓源的標稱輸出電壓乘以百分比精度，然后除以100。例如，精確到±2.5%的1.5V基準電壓源的偏差為：

±（2.5V × 1.5）/100 = ±0.0375V或±37.5mV

由于基準誤差可能高于或低于標稱誤差，因此總偏差是該值的兩倍，即75mV。總輸出電壓變化等于標稱電壓加上或減去誤差電壓：

2.5V ± 0.0375V=2.4625V ? 5375V

了解基準電壓源的這些電壓限值可為基準電壓源支持的電路提供特定的設計邊界。

精度百萬分之一

數據手冊中的另一個參考精度單位是百萬分之一或ppm。該單位通常用于指定溫度系數和其他參數，這些參數在不同條件下變化很小。對于 2.5V 基準，1ppm 是 2.5V 或 2.5μV 的百萬分之一。如果基準電壓源精確到10ppm以內（對于任何基準電壓源來說都非常好），則其輸出容差為：

2.5V × 10/10-6= 25μV

將其轉換為電壓精度：

2.5V ± 25μV=2.499975V ? 2.500025V

轉換為百分比：

±（25E - 6V） × 100/2.5V = ±0.001%

精度（位）

使用術語“位”作為一個單位，如“16位參考”，有點令人困惑。它是否代表實際的精度測量值，或者是否意味著基準電壓源對于16位ADC來說足夠精確？16 位基準電壓源的精度可能精確到 1 LSB 或 2 LSB，因此對于 16 位系統來說，它不一定足夠。但是，“精確到16位”的參考是用硬數字指定的。

如果單位是由實際測量指定的，那么“精確到16位”只是參數的值除以以十進制形式表示的聲稱的位精度。例如，一個聲稱精度為2位的5.16V基準電壓源（對于任何基準電壓源來說，這是另一個極其精確的容差），其偏差不應超過16位的十進制等效值：216= 65536。因此，1 位是總值的 1/65536。在本例中，2.5/65536 ≈ 8μV。如果我們假設精度為1位（±1 LSB），輸出電壓可以比標稱值高1位，即±38μV。

轉換為電壓精度：

2.5V ±38μV=2.499962V ? 2.500038V

轉換為百分比：

（±38E - 6V/2.5V） × 100 = ±0.0015%

參考文獻重要的典型參數

初始準確性不言而喻。它是任何修剪設置的值?？梢匀〕鲆粋€現成的零件，將其連接到自動測試設備（ATE）的測試電路中，并測量輸出電壓。測量值應在數據手冊中規定的初始精度公差范圍內。此規格通常僅適用于室溫，具有定義的輸入電壓和負載電流。它為大多數其他規范提供了一個起點。初始精度公差會受到封裝應力的影響，因此正確控制焊接溫度曲線至關重要，并且必須將PCB的扭曲保持在最低限度。由于封裝應力可能會開始改變貨架上未通電的部件，因此初始精度公差可能會受到輕微漂移的影響;請參閱下面的溫度滯后和長期漂移（穩定性）部分。這就是為什么許多行業，特別是軍事行業，要求帶有日期編碼部件的新產品小于特定年齡的原因之一。

溫度系數（tempco）是參考輸出電壓因環境或封裝溫度變化而引起的偏差。根據器件結構及其在初始校準期間調整輸出電壓的方式，輸出電壓偏差可以是正（隨溫度升高而增大）或負（隨溫度升高而減?。?。它幾乎從不與溫度成線性關系，這有時會導致混淆。例如，從25°C到30°C的溫度變化不太可能導致與從65°C到70°C的溫度變化相同的輸出電壓變化，盡管溫度升高是相同的。

以此類推，考慮一個簡單的電阻分壓器（圖 4A）。公共點電壓（V外） 是施加電壓 （V ） 的一小部分在） 等于兩個電阻值的比值。兩個電阻隨溫度變化的百分比相同，保持恒定的比率，因此V外也保持不變。

圖4.這個簡單的電阻分壓器類比表示一個電壓基準電壓源，一個空載（A）和負載（B）。

請注意，流過電阻的電流隨溫度變化，來自分壓器公共點（正或負）的任何漏電流都會改變V外（圖4B）。在室溫下，這種變化通常通過調整其中一個電阻（改變其值）來補償。但是，如果漏電流隨溫度的變化與電阻值隨溫度變化引起的分壓器電流變化不同，則結果是V的變化外隨著溫度。五世外變化稱為溫度系數或溫度系數。雖然這個類比簡化了參考電路內更復雜的機制，但它傳達了器件溫度系數的概念。

溫度遲滯是輸出電壓隨溫度變化周期的變化。為了測量這一點，請以典型應用中工作的基準電壓源為例，其額定工作溫度范圍為-40°C至+85°C。 記錄室溫（+25°C）下的輸出電壓。將基準冷卻至 -40°C，然后加熱至 +85°C，然后再將其降至 25°C。 再次測量并記錄輸出電壓。這些測量值的差異（如果有的話）是溫度滯后。請注意，將其加熱到 85°C，冷卻到 -40°C，然后加熱到 25°C 也是有效的。 偏差可以是正的，也可以是負的。經過多次溫度循環后，可以推斷出基準輸出電壓可能大不相同。然而，由于溫度遲滯既有正有負，一系列溫度周期產生的偏差往往會相互抵消，產生非常接近標稱值的最終平均輸出電壓。此參數與模具上的應力相關。熱循環傾向于平衡應力。通常在五個循環后，應力衰減到最小。但是，可以通過焊接或扭曲封裝來重新引入應力。

線路調整率是測量由于輸入電壓變化而導致的輸出電壓變化的量度。如果基準電壓源工作時輸入電壓發生變化，這一點很重要，例如在電池應用中。典型單位為 ppm/V 和 %/V。線路調整率是直流參數，通常在直流時指定。線路調節測量兩個（或多個）不同直流輸入電壓的輸出電壓變化;如果輸入電壓快速變化，則與電壓瞬變一樣，它幾乎沒有意義。通常，線路調整率與線路電壓變化的速率成反比。對于可能存在線路瞬變的應用，建議使用基準輸入電容，以盡量減少由此產生的變化。

負載調整率是衡量由于基準負載電流變化而導致輸出電壓變化的指標。如果基準負載電流在基準工作時發生變化，例如，當基準驅動沒有基準緩沖器的阻性梯形DAC時，此參數非常重要。梯形阻抗隨DAC代碼而顯著變化。同樣，負載調整率是一個直流參數，通常在直流時指定。它測量兩個（或多個）不同直流負載電流的輸出電壓變化，如果負載電流快速變化，它幾乎沒有意義。通常，負載調整率與負載電流變化的速率成反比。建議使用輸出電容來穩定負載電流瞬變應用中的輸出電壓。典型的測量單位是 ppm/mA、%/mA 和從空載到滿載的變化百分比。

如果基準電壓源必須在數天、數周或數年的連續運行中保持精確，則長期漂移（穩定性）非常重要。它只是測量在穩態工作的某些特定條件下輸出電壓在很長一段時間內的變化。長期漂移是較長時間內最大和最小輸出電壓偏差的量度，而不是“時間A”和“時間B”之間偏差的量度。所有其他條件（例如，溫度、輸入電壓、負載電流）必須保持恒定，才能準確反映基準電壓源中的漂移。典型單位為每 1000 小時 ppm。

電源電流是自我描述的，但請考慮這些變化。

對于串聯基準，術語“空載電流”通常在數據手冊中指定，并且通常與術語“靜態電流”（IQ).由于空載電流指定了空載基準電壓源消耗的實際電流，因此空載電流不指定該基準電壓源在加載時消耗的電流。

典型并聯基準在數據手冊中未指定空載電流。相反，他們通常列出最小工作電流（I莫).此參數指定基準電壓源為維持穩壓而必須消耗的最小電流。請注意，分流基準電壓源必須至少吸收滿載條件下的最小工作電流。因此，其串聯電阻 （R1） 必須適應最大負載電流和最小工作電流（圖 5）。在某些應用中，忽略了最小工作電流（在某些數據手冊中稱為“調節電流”），因為它比負載電流小得多。

圖5.電流是分析并聯基準電壓源工作的關鍵。

接地電流通常指定用于串聯基準。它測量給定負載下的工作電流。串聯基準與負載串聯，因此測量流入基準輸入的電流可得出負載電流和工作電流之和。通常測量接地電流以確定帶負載串聯基準的工作電流。

壓差（V之） 在低壓和電池供電設備中非常重要，僅適用于串聯基準（在串聯基準中，這與 I 相同莫上文討論）。輸入和輸出電壓之間的最小差值是允許基準電壓源保持其指定精度（V外+ V之= 最小輸入電壓）。電池電壓隨著電池放電而下降。為了最大限度地延長電池的使用壽命，基準電壓源必須保持精確的輸出電壓，同時由盡可能低的電池電壓供電。因此，較低的壓差允許在較低的電池電壓下繼續工作。密切注意規定壓差的電流。零電流時的壓差會給出人為的低值。這相當于當軌到軌輸出接近供電軌時消耗小電流。

負載電容是基準驅動容性負載的能力，可能非常重要。由于典型基準電壓源集成了反饋控制，因此容性負載引入的零點可能會影響其穩定性。這會在控制環路中產生較大的相移，從而在特定頻率下產生正反饋。請仔細閱讀數據手冊，了解有關允許負載電容范圍的信息。一些制造商僅在數據手冊的文本中提及此限制，而不在參數表中提及此限制。

基準輸出端的噪聲很明顯，但經常被忽視?；鶞孰妷涸吹脑肼暿怯?a target="_blank">IC內部的有源和無源器件產生的隨機信號，會影響其精度。例如，1mVP-P輸出噪聲電壓將初始直流精度限制為不優于1mV。對于1.2V基準，僅此噪聲電平將初始精度限制在約0.1%。

參考數據手冊通常顯示兩個頻段的噪聲：低頻噪聲，范圍為0.1Hz至10Hz，規格為μVP-P;和寬帶噪聲，范圍為 10Hz 至 1kHz，規格為 μV有效值.在兩個頻段中指定噪聲使電路設計人員能夠區分寬帶噪聲和低頻噪聲，前者可以用實際的電容值進行濾除，后者則無法區分。此外，如果使用足夠大的電容來濾除低頻噪聲，則基準電壓源在其輸出端放置如此大的電容時可能不穩定。有關熱噪聲計算器（即PC仿真器）和概述了解噪聲參數所需設計步驟的手冊，請參見應用筆記5059：“熱噪聲計算器教程”。

交流線路調整率通常不在規格表中指定，但它直接影響基準電壓源的性能。在大多數應用中，基準電壓存在電壓尖峰。這些尖峰往往分布在很寬的頻率范圍內?；鶞孰妷涸吹木扰c輸入電壓變化的頻率成反比。由于通常未指定交流線路調整率，因此基準數據手冊至少應包含顯示典型交流線路調整率與頻率的關系圖。該圖將指示基準電壓源對輸入系統噪聲的靈敏度，并可用于確定所需的輸入濾波。隨著噪聲頻率的增加，輸入濾波必須進一步降低輸入系統噪聲，以便基準電壓源能夠達到其額定精度。

電源抑制比（PSRR）有時在數據手冊中指定。PSRR通常以dB為單位。它用于測量輸入電源輸出端器件抑制了多少噪聲（PSRR = ΔV抄送/ΔV外).

交流負載調整率/輸出阻抗是基準電壓源規格表中經常省略的另一個重要參數。如果從基準獲取的負載電流不斷變化，則此參數很重要?；鶞孰妷涸吹木韧ǔＥc負載變化頻率成反比。參考數據手冊中應包含顯示交流負載調整率或交流輸出阻抗與頻率的關系圖。該圖應顯示已知輸出負載變化所需的輸出濾波，以實現基準電壓源的額定精度。

線路瞬態響應通常顯示為示波器屏幕截圖，顯示輸入電壓的階躍變化以及由此產生的輸出電壓變化和校正。此屏幕截圖顯示引用在發生此類事件后恢復到指定精度的恢復時間。重要的是要注意使用的輸入和輸出電容值。這些電容對基準電壓源的性能有巨大的影響。

負載瞬態響應/輸出建立時間通常顯示為示波器屏幕截圖，顯示輸出電流的階躍變化以及由此產生的輸出電壓變化和校正。此屏幕截圖顯示引用在發生此類事件后恢復到指定精度的恢復時間。重要的是要注意使用的輸入和輸出電容值。這些電容對基準電壓源的性能有巨大的影響。

開啟/關閉建立時間。導通建立時間是基準電壓源在初始上電后穩定速度的指標。輸出只需要穩定，不一定達到基準電壓源的指定精度。通常，此參數的輸出電壓誤差大于指定精度;它應始終在參數的條件中給出。該參數高度依賴于所使用的輸入和輸出電容值以及施加到基準電壓源的負載?；鶞孰妷涸丛谏想姇r遇到電流限制的情況并不少見，此時它們必須對所有負載電容充電。關斷時間是基準電壓幾乎達到零伏所需的時間的簡單度量。該參數還高度依賴于所使用的輸入和輸出電容值以及施加到基準電壓源的負載。

輸出短路電流是一種保護功能，可以是對GND的短路，也可以是對輸入的短路。它是輸出引腳短路至GND或IN時的輸出電流測量值。通常，這是零件在最大熱應力下進入的故障條件。在數據手冊的“絕對最大額定值”部分中，顯示了一段持續時間，以指定器件在此條件下可以工作多長時間。

結論

電壓基準電壓源通常是匆忙選擇的。在做出決定之前，設計人員會查看價格、數據手冊上突出顯示的初始精度，通常不會查看其他任何內容。確保在比較參考文獻時比較“蘋果與蘋果”。在評估多個數據手冊中列出的規格時，請確保所有規格都以相同的單位表示。確定哪些參數對您的應用很重要，并超越初始精度規格。

審核編輯：郭婷