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±1%,则其电压精度范围为:

5.2~

5.2

=

1

×

±

=

±

%

.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/℃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/℃,则环境温度每变化1℃,其输出电压改变10V×10×10-6=100μV。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25℃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 Reference

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 -I F ×R=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 Reference

如图2所示,串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 ×R S =V IN -(I Q +I L ×R S ,由于I Q 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 Reference

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 Reference

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 Reference

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