3.7、基准参考电压

3.7基准参考电压源的选择

大多数数字电路、混合信号和模拟电路需要使用电压基准源，因此了解基准源的工作原理、参数和选择方法，对於系统设计是一个很重要的。本节比较了齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和带隙电压基准三种电压基准源的优点和缺点，列出了使用时潜在的问题，介绍了它们的应用范围。讨论了在设计系统时，选择电压基准源需要考虑的问题。

3.7.1基准源的类型

基准源主要有齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和带隙电压基准三种，它们都可以设计成两端并联式电路或者三端串联式电路。齐纳二极管是工作在反向偏置的二极管，需要一个串联的限流电阻。在要求高精度和低功耗的情况下，齐纳二极管通常是不适合的。例如，BZX84C2V7LT1齐纳二极管的标称输出电压Vout是2.5V，有±8%的公差，各个器件之间的输出电压会在2.3V到2.7V的范围内变化。

理想的电压基准源应该是内阻为零，不论电流是流进去还是流出来，都应当保持输出电压恒定。内阻为零的基准源是不存在的，然而内阻只有毫欧数量级的基准源是可以做得到的。齐纳二极管的内阻较大，电流为5mA时内阻为100Ω，1mA时600Ω。齐纳二极管在电压箝位电路中很有用，它们的箝位电压范围宽，从2V至200V，功率可以从几毫瓦到几瓦。表1比较了这三种电压基准源的优点、缺点，列出了使用时潜在的问题。

表3.7.1. 三种电压基准源的比较

注1：带隙半导体、直接带隙和间接带隙

ZnO是一种直接带隙半导体材料，为什么说它是直接带隙的？直接带隙会导致它有什么样的特点？

直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。

间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。

间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。电子在k状态时的动量是（h/2pi）k，k不同，动量就不同，从一个状态到另一个必须改变动量。

采用带隙半导体材料制造的电压基准源温度稳定性好！

3.7.2电压基准源的选择

选择电压基准源时，应当针对系统的要求，综合考虑电压基准源的技术指标。电压基准源的技术指标很多，主要的指标是：

★初始精度

★输出电压温度漂移

★提供电流以及吸入电流的能力

★静态电流

★长期稳定性

★输出电压温度迟滞

★噪音

★此外还有价格。

噪音是无法补偿的误差，因而基准源的噪音应当低。对于16位分辨率的数字系统，它的LSB值为1/65536，如果ADC是16位，满量程输入是0到5V，它能分辨的输入是1LSB，大约为76.3μV。可以选用MAX6150（35μVP-P），MAX6250（3μVP-P）

和MAX6350（3μVP-P）这些低噪音器件，他们的噪声低于16位系统的1LSB。另一个方法是用过采样，再取平均值，这个方法的缺点是要占用更多的处理器资资源，增加系统的成本。

输出电压温度迟滞现象（THYS）也是一个不能修正的误差。THYS是25℃温度下，由于温度从热到冷，然后从冷到热变化时引起的输出电压的变化。它的幅度与温度变化的大小成正比。在很多情况下，THYS误差是不重复的，它与电路设计及封装有关。例如，3脚SOT23封装的MAX6001的THYS典型值是130ppm，但是同样的IC（MAX6190）在更大，更稳定的SO-8封装中，它的THYS只有75ppm。

温度漂移通常是可以修正的误差，因为它是可重复的。高分辨率系统无论如何都需要补偿。对一个5V，16位系统，如果要求在整个商用温度范围（0～70℃，以25℃为基准点）保持±1LSB。那麽基准源的漂移必须小于1ppm/℃，ΔV=1ppm/℃×5V×45℃=255μV。因此1ppm/℃的性能仅适用于整个商用温度范围内的14位系统。

长期稳定性（LTS）给出了某一种封装或某类器件中潜在的硅片应力或离子迁移的程度。注意在温度和湿度处在极端状态下，电路板清洁度对此参数有很大的影响。还要注意LTS仅在25℃基准温度下有效。

电压基准源流出和吸入电流的能力是另一个重要参数。大多数应用只需要基准源对负载供出电流。但是考虑到许多基准源不能吸入电流，如果偏置电流和漏电流超过基准源的吸入电流能力，结果会导致输出电压明显地向上漂。另外，还需注意基准源的带负载能力，ADC和DAC所需的典型基准源电流从几十微安（如MAX1110）到十毫安（如AD7886）。MAX6101-MAX6105能提供5mA电流，吸入电流达2mA，对于较大的负载，可选用MAX6225/MAX6241/MAX6250基准源，这些芯片能提供15mA电流。

系统设计时，需要在成本、尺寸、精度、功耗等方面达到折衷平衡，有时采用较贵器件的系统，虽然元器件成本较高，但是如果设计合理，在生产线上只需很少的补偿和校准。

并联型基准源与齐纳二极管比较，并联基准电源功耗低、精度高、尺寸小。在输出电流从100μA至50MA的全部范围内的初始精度优於1.5%。图1中的MAX6330是一个并联基准源，它具有上电复位输出（图1）。参看图1，对於并联电压基准

源，在选择电阻RS时，应考虑以下因素：输入电压范围VIN；稳定电压VSHUNT；输出电流范围ILOAD；最小并联工作电流ISHUNT。注意，电流IIN总是等於最大负载电流加上并联工作电流（ILOAD+ISHUNT）。

图1.并联电压基准源

3.6.3 基准芯片举例MAX6350