电压基准的特性及选用解析

电压基准的特性及选用
摘要从实际应用角度，介绍了电压基准的种类及特点，主要技术参数，选用电压基准的方法和注意事项。

关键词齐纳基准带隙基准XFET基准初始精度温度系数
一、电压基准及其应用领域
电压基准可提供一个精度远比电压稳压器高的多的精确输出电压，作为某个电路系统中的参考比较电压，因而称其为基准。

电压基准在某些方面与电压稳压器类似，但二者的用途绝然不同。

电压稳压器除了向负载输出一个稳定电压外还要供给功率。

电压基准的主要用途是为系统或负载提供一个精确的参考电压，而其输出电流通常在几至几十个毫安。

电压基准的用途十分广泛，典型的应用常见于数据采集系统，用于为模数变换器或数模变换器提供一个基准参考电压。

另外，它还可用于各类开关或线性电压变换电路、仪器仪表电路和电池充电器中。

二、电压基准的主要参数
1.初始精度（Initial Accuracy
初始精度用于衡量一个电压基准输出电压的精确度或容限，即电压基准工作时其输出电压偏离其正常值的大小。

通常，初始精度采用百分数表示，它并非是一个电压单位，故需换算才能获得电压偏离值的大小。

例如，一个标称电压为2.5V的基准, 初始精度为±%,则其电压精度范围为：
5.2~
5.2
1
x
±
±
%
.2
5.2
V
475
V525
.0
025
.2
在厂商的数据手册中，初始电压精度通常是在不加载或在特定的负载电流条件下测量的。

对于电压基准而言，初始精度是一个最为重要的性能指标之一。

2.温度系数（Temperature Coefficient
温度系数（简称TC用于衡量一个电压基准，其输出电压因受环境温度变化而偏离正常值的改变程度，它也是基准电压最重要的性能指标之一，通常用ppm/C表示（ppm 是英文part per million的缩写,1ppm表示百万分之一。

例如，一个基准标称电压为
10V,温度系数为10ppm/C ,则环境温度每变化1C ,其输出电压改变10VX10X10- 6=100叮。

需注意的是，温度系数可能是正向的，即基准的输出电压随温度的升高而变大，也可能是负向的，即基准的输出电压随温度的升高而变小，具体可查看厂商数据手册中的温度曲线图表。

3.热迟滞（Temperature Hysteresis
当电压基准的温度从某一点开始经受变化，然后再次返回该温度点，前后二次在同一温度点测得的电压值之差即为热迟滞。

该参数虽不如温度系数重要，但对于温度同期性变化超过25C的情况仍是需引起重视的一个误差源。

4.长期漂移（Long-term Drift
在数日、数月或更长持续的工作期间，电压基准输出电压的慢变化称为长期漂移或稳定性，通常用ppm/1000h表示。

当我们选用一个电压基准，要求它在持续数日、数周、数月基至数年的工作条件下保持输出电压精度，那么长期漂移便是一个必须考虑的性能参数。

5.噪声（Noise
这里所说的噪声指电压基准输出端的电噪声，它又包括两种类型，一种是宽频带的热噪声，另一种是窄带（0.1~10Hz噪声。

宽带热噪声较小，且可利用简单的RC网络滤除。

窄带噪声是基准内部固有的且不可滤掉。

在高精密设计中，噪声的因素是不可忽视的。

6.导通建立时间（Turn-on Setting Time
系统加电后，基准输出电压达到稳定的建立时间，该参数对于采用电池供电的便携式系统来说是重要的，因为这类系统为了节省电能，常采用短时的或间隙方式供电。

7.输入电压调整率（Line Regulation
用于衡量因输入电压变化引起的输出电压的改变，这是一个直流参数，并不包括输入电压纹波或瞬变电压产生的影响。

通过在输入端加一个预置稳压器或一个低成本的RC 滤波器，即可有效地改善输入电压调整率。

8.负载调整率(Load Regulation
用于衡量因负载电流变化引起的输出电压的改变。

这也是一个直流参数，并不包括负载瞬变产生的影响。

通过在基准输出端接一个适当容量的低ESR (等效串联
电阻特性的电容器，将有助于改善负载调整率。

三、电压基准的类型
1.按工作原理划分
(1.并联基准(Shunt Referenee
如图1所示，并联基准工作时与负载是并联的关系，基准电压V REF =V IN -IF
XR=V IN -(I Q +I L R，当输入电压V IN或负载电流I L发生产化时，这类基准通过
调节I Q来保持V REF的稳定。

并联基准只有2个引脚，价格较便宜，较适用于负载电流变化不大的场合。

缺点是功耗相对较大，输入电压调整率不太理想。

常见的并联基准型号有LM358、AD589等。

图1并联基准
(2.串联基准(Series Referenee
如图2所示仲联基准工作时与负载是串联的关系，基准电压V REF =V IN -I F
XR S =V IN -(I Q +I L R S由于IQ很小且基本保持恒定，故当V IN或I L发生变化时，串联基准通过调节内部的R S阻值来保持V REF的稳定。

串联基准有3个引脚，输入输出压差和I Q可做的较小，故更适用于电池供电场合。

常见的串联基准型号有
AD581、REF192等。

V REF
Rs并联基准R L
I Q
I L
图2串联基准
2.按技术工艺划分
(1.齐纳基准(Zener Referenee
齐纳基准的优点是成本低，封装小，工作电压范围宽。

缺点是功耗大，初始精度低, 温度系数差，输入电压调整率不好，使用时需根据供电电压和负载电流串接一个电阻为其提供恒定电流，以便保持输出电压稳定。

齐纳基准通常用于要求不高的场合，或用作电压钳位器。

(2.掩埋齐纳基准(Buried Zener Referenee
掩埋齐纳基准具有很高的初始精度，好的温度系数和长期漂移稳定性，噪声电压低，总体性能优于其它类型的基准，故常用于12位或更高分辨率的系统中。

掩埋齐纳
基准通常要求至少5V以上的供电电压，并要消耗几百微安的电流，价格较昂贵。

(3.带隙基准(Bandgap Referenee
带隙基准的初始精度、温度系数、长期漂移、噪声电压等性能指标从低到高覆盖面较宽，较适用于8~10位精度的系统中。

该类基准既有为通常目的设计的类型，也
有静态电流小至几十微安，输入输出电压差较低而适用于电池供电场合的产品，因而应用范围很宽。

综合来看，带隙基准性能良好，价格适中，是性价比最高的电压基准。

(4. XFET 基准
XFET是一种新型的电压基准，它的性能水平界于带隙和齐纳基准之间。

静态电流很
低，可用于3V电压系统,并且仍能保持良好的性能。

XFET基准有3项显著的特点:其一是在相同的工作电流条件下，它的峰-峰值噪声电压通常比带隙基准低数倍；其二是XFET基准在工业级温度范围内具有十分平坦或线性的温度系数曲线，而带隙和齐纳基准的温度系数曲线在温度范围两端常是非线性的，这种非线性不便于通过软件来加以修正；其三是XFET基准具有极好的长期漂移稳定性。

(5. 4种基准性能比较
表一以ADI公司的电压基准产品为例，对掩埋齐纳、带隙和XFET三种类型基准的主要性能作一比较，由于生产电压基准产品的公司很多，每一类产品自身的性能从高到低差别很大，故表一主要从总体上比较三种基准的性能特点，以便在选用时有一个参考。

V REF
R L
I L
I Q R S
I F
串联基准
表一掩埋齐纳、带隙和XFET基准主要性能比较
掩埋齐纳基准带隙基准XFET基准工作电压＞ 5V
可低至3V可低至2.7V静态电流3~10mA 0.45~2mA 5~20 A初始精度
0.01%~0.5% 0.04%~1.0% 0.06%~0.3% 温度系数1~20ppm/C 3~100ppm/C 8~25ppm/°C 噪声电压(0.1~10Hz
4~10 卩V 4~50 卩V 6~10 长期漂移15~75 卩V/Kh 4~250 卩V/Kh 0.2~1 卩V/Kh
适用场合12位或以上较高精度的系统。

8~10位精度，或低压、低功耗,要求一般的系统。

低压、低功耗且较咼精度的系统。

四、电压基准的选用
ADI、NS、Maxim、Linear、TI等都是国际上著名的模拟产品供应商,它们可提供各种类型的基准产品。

根据前面的讨论，引起电压基准输出电压背离标称值的主要因素是：初始精度、温度系数、噪声，以及长期漂移等。

因此，在选择一个电压基准时，需根据系统要求的分辨率精度、供电电压、工作温度范围等情况综合考虑，不能简单地以单个参数（如初始精度为选择条件。

举例来说，一个12位数据采集系统，要求分辨到1LSB （相当于1/212=244ppm如果工作温度范围在10C,那么一个初始精度为0.01%（相当于100ppm，温度系数为10ppm/C （温度范围内偏移100ppm的基准已能满足系统的精度要求，因为基准引起的总误差为200ppm，但如果工作温度范围扩大到15C以上，该基准就不再适用了。

对于初始精度，主要是根据系统的精度要求进行选择。

对于数据采集系统，如果采用n位的ADC ,那么其满刻度分辨率为1/2n，若要求达到1LSB的精度，则所配电压基准的初始精度可由下式确定：
%10211C2126X =x< n n
ppm初始精度考虑到其它误差的影响，实际的初始精度还要选得比上式更高一些,比如按1/2LSB的分辨率精度来计算,即上式所得结果再除以2。

温度系数是电压基准另一个重要的参数，它的确定除了与系统要求的精度有关外，还与系统的工作温度范围有直接的关系。

对于数据采集系统，假设所用ADC的
位数是n,要求达到1LSB的精度，工作温度范围是△ T那么基准的温度系数TC可由下式确定：
TC n ? x< 2106
同样地，考虑到其它误差的影响，实际的TC值还要选得比上式更小一些。

温度范围△ T通常可以25C为基准来计算，以工业温度范围-40C ~+85C为例，△ T可取60 C (85 C -25 T ,因为生产厂商通常在25C附近将基准因温度变化引起的误差调到最小。

图3是一个十分有用的速查工具，它以25r为变化基准，温度在「C~100C变化
时,8~20位ADC在1LSB分辨精度的要求下，将所需基准的TC值绘制成图,由该图表可迅速查得所需的TC值。

图3系统精度与基准温度系数TC的关系
大多数电压基准的噪声电压相对其它误差而言绝对值较小，故对于精度不高的系统其影响并不突出，但对于高精度系统，需引起高度重视。

对于宽带噪声，通过在输出端增加一个低ESR (等效串联电阻电容或一个RC滤波器就可有效加以抑制，但要注意所加电容的容量要按数据手册推荐的值选取，如果选得太大，可能引起振荡而破坏输出电压的稳定性，另一个后果是会使导通建立时间变长。

至于0.1~10Hz范围内
的窄带1/5噪声，是基准中固有的且不能有效滤掉，故要仔细评估选择。

某些系统需长期工作，同时要求具有保持重复测量的一致性和稳定性，这时，基准的长期漂移性能指标就显得很重要。

XFET基准具有十分优良的长期漂移特性，故是最佳选择。

对于便携式系统，都要求低电压、低功耗，以便延长电池的使用时间。

对于这类系统，选用XFET基准是十分理想的,它们不仅能在低电压小电流下工作，同时还能保持很好的性能。

ADI公司的某些带隙基准如REF19X和AD158X系列也具备低电
压、小静态电流的特性，因而也可用于便携式系统。

但这些带隙基准的长期漂移、噪声以及温度系数指标不如XFET基准。

参考文献：
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△ T （基于25C的变化。