基准电压源的分类性能比较

基准电压源的分类性能比较

[摘要]建立一个与电压无关，具有确定的温度特性的直流电压即基准电压。随着带隙基准电压源的问世，基准电压源无论是在温度特性、电源电压、功耗等方面都得到了很大的进步。本文主要介绍了三种基准电压源的结构，并分析了其优缺点。

[关键词]带隙基准，晶体管，温度系数

中图分类号：tn32 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）12-0219-02

多年来，在集成系统中已经采用许多方法来实现电压基准。自widlar发明以来，带隙基准电压源在bipolar电路中得到了广泛运用，随着激光修调技术、温度补偿技术以及cmos工艺飞速发展，带隙基准源得到了快速发展。在传统的mos基准电压源中，可以获得温度系数为85×10-6左右的输出参考电压，但是该温度性能的基准电压源远不能满足目前电路设计的要求。而且由于电路中存在运算放大器，基准电压源的指标在很大程度上受到运放失调电压（offset）、电源电压抑制比（psrr）等的限制，要想进一步提高电路的性能需在电路结构上加以改进。

1.隐埋齐纳二极管基准电压源

早期的齐纳二极管基准电压源为减少温度漂移或温度系数（tc），通常在一只反向齐纳二极管上再串联一只正向二极管，如图1.1所示。

因为工作在雪崩状态下的齐纳二极管的击穿电压约在7v左右，

具有正温度系数（约为+2mv/℃），而正向硅二极管具有负温度系数（约为-2mv/℃），二者可以相互抵消。但是由于这两个温度系数的绝对值并不相等，而且都随电流变化而变化，所以很难得到零温度系数。这种齐纳（雪崩）二极管的击穿电压发生在硅表面层，所以称为表层齐纳二极管。由于硅芯片表层与其内部相比有更多的杂质、晶格缺陷和机械应力，所以表层齐纳二极管的噪声大、长期稳定性差，而且容易受到表层氧化层中迁移电荷及外界环境的影响。为了克服上述缺点，改进制造工艺，采用隐埋齐纳二极管结构（见图1.2），使其击穿电压发生在表层的下面，从而可以避免表层的影响，使其在温度漂移、时间漂移和噪声特性等方面得到明显的改善。图1.3所示的齐纳基准电压及其反馈放大器用于提供非常稳定的输出。用电流源偏置6.3v的齐纳二极管。齐纳电压由电阻网络r1和r2分压，此电压加到运放的非倒相输入端，并被放大到所需要的输出电压。放大器增益由电阻网络r3和r4确定，即增益

g=1+r4/r3。使用6.3v齐纳二极管，因为它对于时间和温度是最稳定的齐纳二极管。

其输出方程式为：

隐埋齐纳二极管基准比带隙基准昂贵，但能提供更高的性能。典型的初始误差为 0.01～0.04%，tc为1～10ppm/℃，噪声低于10μvp-p（0.1～10hz）。长期稳定性典型值为6～15ppm/1000小时。基于隐埋齐纳的基准经常用在12位、14位和较高分辨率的系统中。因为隐埋齐纳基准的性能可通过设计中包含非线性温度补偿网络

而得到提高，在几个温度点上微调补偿网络可使其电性能在工作范围内达到最佳。

2.带隙基准电压源

隐埋齐纳二极管基准源的缺点是电源电压必须大于7v，工作电流相当高，通常为几个ma，显然这种基准源不适合于便携式和电池供电的应用场合。二极管带隙基准源是一种低温度系数、低电压的基准源。带隙基准最简单的结构是用两个晶体管，用不同的发射极面积产生正比于绝对温度的电压，如图2.1所示。vbe1和vbe2具有相反的温度系数。电压vcc变换为电流i1和i2，i1和i2被镜象反映到输出支路，输出方程为：

式中λ是比例因子，vbe1是第一个晶体管的基极—发射极电压，vbe2是第二个晶体管的基极—发射极电压。

因为带隙基准源的价格优势，它被广泛应用于adc/dac转换器以及外部基准源中。通常，带隙基准用在需要最高10位精度的系统设计中。带隙基准一般具有0.5～1.0%初始误差，温度系数tc为25～50ppm/℃，输出电压噪声一般为15～30μvp-p（0.1～10hz），长期稳定性为20～30ppm/1000小时。

3.xfet基准电压源

xfet是一种新型的基准技术，这种基准源的核心是利用jfet来设计的。从理论上讲，jfet的沟道导电载流子是多子，相对双极晶体管的基区导电载流子是少子而言，多子遇到晶格碰撞产生噪声的机会要小于少子，因而xfet基准电压源具有较低的噪声。与bjt

带隙基准源类似，基于jfet的电压基准电路利用一对具有不同夹断电压的jfet，将其差分输出电压放大以产生一个稳定的负温度系数的电压（约为-120ppm/°c），然后用一个具有正温度系数的电压进行补偿，得到稳定的基准电压。两个jfet中的一个jfet在制造过程中外加了一步离子注入工艺，所以成为外加离子注入结型场效应管（extra implantation junction field effect transistor ——xfet）基准电压源。

如图3.1所示，它由两个结型场效应管组成，其中一个多加一次沟道注入来提高夹断电压。两个jfet工作在相同的漏极电流下，把夹断电压之差进行放大，用来形成电压基准。其输出方程式是：式中δvp是两个jfet夹断电压之差，iptat是正温度系数校正电流。

xfet基准的性能水平处在带隙和齐纳基准之间，典型的初始误差为0.06%，tc为10ppm/℃，噪声为15μvp-p（0.1～10hz），长期稳定性为0.2ppm/1000小时。

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