产生稳定电压的基准电压元件

产生稳定电压的基准电压元件

技术分类：电源技术 | 2010-12-28

Paul Rako，EDN技术编辑: EDN China

基准电压元件是低输出功率的线性稳压电源，它提供一个固定的（或恒定的）电压，而与器件负载、电源变动、温度变化以及时间无关。基准电压元件遍布于电源稳压器、数据采集系统、ADC、DAC，以及其它各种测量与控制系统中。虽然基准电压元件无处不在，但性能却有很大不同。例如，一款用于计算机电源的稳压器可能要将其值稳定在标称值附近的几个百分点以内，而实验室基准电压元器件的精度与稳定性要以百万分之一计。

几十年前的基准电压元器件提供的初始精度只有±10%，而现代的基准电压IC可以提供100 ppm（即0.01%）的初始精度。Analog Devices公司应用工程经理Reza Moghimi指出：“我们试图要让器件对线路、负载和温度的变动不敏感，以用于工业、科研与医疗市场中高要求的任务。”这些市场中的专业公司也可以很容易地进入对精度要求很严格军用市场与汽车市场。]

稳压芯片亦有串联与并联之分（图1与参考文献1）。串联稳压器有两只分别用于输入电源与地的管脚；第三只管脚输出一个固定的或可调的电压。双端并联稳压器工作在一个限流的固定电压下。实际上每个稳压器采用的都是并联架构，因为一个串联基准电压元件也不过是一个并联基准电压元件加上一个电流馈送电路和一个缓冲输出。

在电子业的早期，工程师们是采用霓虹辉光管作基准电压元件（图2）。霓虹辉光管是一个有两只导电端子的玻璃容器，其中填充了稀薄的惰性气体（具有类似特性的化学元素）。在标准情况下，惰性气体都是无嗅、无色的单原子气体，化学活性低。自然界存在的六种惰性气体是：氦、氖、氩、氪、氙和氡。当在这些气体上施加66V〜200V的直流电压时，它们会被电离。一旦发生了离子击穿，则辉光管两侧的电压就降至直流48V〜80V的维持电压。如果跨辉光管的电压跌至低于这个维持电压，灯就会熄灭，必须再次为其施加离子击穿电压，使之发光（图3）。一只霓虹辉光管工作时通过的电流低至10A〜12A，或1 pA。1996年，Signalite做出了可以在±0.5V内稳压的辉光管（参考文献2）。

不过到了20世纪70年代，齐纳二极管（为并联式基准电压元件）取代了这些冷阴极辉光管（图4）。齐纳二极管的名称源于研究者Clarence Zener，他发现了这个效应（参考文献3）。虽然一些工程师将齐纳二极管看作雪崩二极管，但这两种二极管的物理原理并不相同（参考文献4、5、6）。齐纳击穿源于通过一个PN结产生量子力学隧道效应的电荷载流子。这种击穿出现在重掺杂的节点。PN结上的大电场加速电荷载流子，使之形成雪崩击穿。这些高速载流子造成碰撞电离，随之又造成了电荷载流子的倍增。这种效应出现在轻掺杂的PN结。齐纳二极管制造商通过改变PN

结的掺杂，利用这两种效应制造出不同击穿电压的二极管。在电压高至5.6V时，齐纳效应在二极管中占主导地位，而更高电压下的主导则是雪崩效应。两种效应在温度系数方面也有差别：齐纳器件为负击穿，而雪崩器件为正击穿。在5.6V时击穿的器件同时包含有两种效应，并且由于正、负温度系数互相抵消，而有小的温度系数。

随着IC在上世纪70年代的普及，并联基准电压元件的集成成为关键。Burr Brown、Analog Devices以及美国国家半导体这类公司都采用了在自己IC中置入齐纳二极管的方案（图5）。IC 工艺的进步使得在芯片的表层下制造器件成为可能。与置入JFET一样，置入的齐纳二极管并不触及芯片的表面缺陷，意味着这些二极管有低的工作噪声水平。

1971年，美国的一名线性模拟IC 设计的先驱，电子工程师Bob Widlar采用了一种基于带隙电压效应的基准电压元件，这种效应由飞兆半导体公司已故工程师DF Hilbiber于1964年发现。带隙基准元件天生固有1.2V输出电压，近似于硅在0°K时的带隙电压（图6）。要使用其它输出电压的器件只需要用内部增益电路，增加或减少电压。模拟IC设计师Bob Pease改进了Widlar 的设计，帮助美国国家半导体公司的IC设计师在很多芯片中采用了带隙电路（参考文献7）。Pease

评论道：“在80年代，我们推出的40%〜60%带隙（电压效应基准）都有旧的失谐误差。很多此类误差都与IC布局有关，我们通过良好的设计审核，解决了这些问题。”

1974年，Paul Brokaw（现在是Integrated Device Technology公司的高级技术专家）设计了一款带隙基准电压元件，它采用反馈方法提高精度和减少误差（图7）。Brokaw说：“我在试制一款分立式电源时构造出了它，我希望使用一个较低的基准电压，而不是一只6.8V的齐纳二极管。”

除了置入式齐纳管与带隙型基准电压元件以外，还有一类基于JFET的器件，如Analog Devices公司的ADR440（图8）。置入JFET能辅助这些器件在0.1Hz〜10Hz区间上实现1μV 峰峰值的噪声规格。Analog Devices公司的Moghimi也暗示该公司今年将推出一类新的基准电压元件，它们采用的是不同于本文前述任何技术的架构。

其它基准元件（如Intersil公司的产品）采用浮动栅FET，它类似于闪存的结构，但可编程设定为一个模拟电压（参考文献8和图9）。Intersil在器件中做电压缓冲，因此没有源于ESD （静电放电）二极管的泄漏电流，不会放掉浮动栅上的电荷。这些器件几乎不消耗电流，但噪声性能优于采用传统架构的小功率基准电压元件。Intersil公司IC设计经理Barry Harvey指出，基准电压IC在工艺和设计方面都需要一些聪明的技巧。他说：“我们做到最优后，发现浮动栅的泄漏在阿托量级(10-18A)，哪怕是在高温下。”

Intersil采用了浮动栅而不是带隙，因此可以对芯片编程设定，使器件提供数十种输出电压。

基准电压元件各种规格与特性

基准电压元件有两种基本特性：负载调整与线路调整特性。负载调整是当器件吸入更多电流时，输出的变化情况。线路调整是指当器件的电源变化时，输出的变化情况。与负载调整有关的还有瞬时调整或输出阻抗。输出电压必须保持在一定范围内，即使在系统突然从基准电压IC拉出脉冲电流情况下。有些现代ADC的基准元件输入端会从你的器件拉出大的瞬时电流。有时，解决这个问题的方法是增加一个高输出的滤波电容，但你必须很小心，勿使基准电压变得不稳定。

必须了解其各种特性与规格，才能正确地选择和使用基准电压元件。不需要关心其内部的架构问题。更重要的是了解器件的特性，而不是IC公司的内部设计方式。除了在并联稳压器与串联稳压器之间作选择以外，还必须确定您的系统中是否可以使用齐纳二极管。多数情况下，最好使用来自模拟芯片公司的专用基准电压元件IC。如果您需要超低功耗，则应使用串联基准电压元件，如Intersil公司的浮动栅器件。Linear Technology公司提供的双极LT665器件，可以工作在低于1 μA的供电电流下。