高精度基准电压源
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电子系统设计
高精度基准电压源
第9章
功率电路及系统
9—4 高精度基准电压源
在集成电路或电子设备中，常需要基准电压源 (U REF )。该类基准电压源要求精度高，温度稳定性好 (±0.2×10-6~±20×10-6左右)，噪声电压低，长期稳 定度好等，但其输出电流并不大，一般为几毫安~十几 毫安。实现此类电压基准功能的电路和器件有两种， 简要介绍如下。
第9章
功率电路及系统
9—4—1能隙基准电压源
一、能隙基准电压源的工作原理 如图9—29所示，UBE为负温度系数，UT发生器乘以 系数K为负温度系数，二者经相加器相加后得到基准电 压UREF：
U REF U BE KUT
(9—40)
又知，结电压UＢＥ随温度上升而下降，即有
U BE U g 0 CT UT U REF kT q kT U g 0 CT K q
R3 2 R1 (1 )[U BE 1 U T ln(n )] R4 R2 R3 (1 )[U g 0 CT KUT ] R4
式中， K (9—46)
2 R1 ln(n ). R2 调节R1和R2的值，使KUT=CT，那么
U REF
R3 (1 )U g 0 R4
第9章
功率电路及系统
9—4—2 以埋层齐纳管为参考的超高精度基准电压源
能隙基准电压源的ST≤3×10-6/℃，噪声电压 UNpp≥20μV。对于高分辨率的A/D、D/A(16位以上)，仍 感不足。以埋层齐纳管为参考的基准电压源的精度和稳 定度有望更高。 普通齐纳管的击穿机理发生在硅晶体表面，如图9— 31(a)所示，表面存在更多的杂质，易受机械压力和晶格 错位等因素影响，导致击穿噪声大，长期稳定性不好。
第9章
百度文库
功率电路及系统
图9—31 普通齐纳管和埋层齐纳管的击穿部位 (a)普通齐纳管；(b)埋层齐纳管
(9—47)
第9章
功率电路及系统
若R4 固定，则改变R3 ,即可得到不同的基准电压值。 美国AD公司的AD580、AD581、AD584、AD680系列 电压基准的原理电路与图9—30相同。例如，AD581的 基准电压UREF=10V±0.005V，温度系数ST为5×10-6/℃， 长期稳定度为25×10-6/1000h，输出噪声电压的峰峰值 小于40μV。
(9—44)
(9—45)
第9章
功率电路及系统
RA
I2 RB
I1 ＋ －
UCC
URE F R3 U′
V2 R2 R1 I2 I1 ＋I2
V1 I1
R4
图9—30 能隙基准电压源电路
第9章
功率电路及系统
运放输出电压即基准电压UREF为
U REF
U (1
R3 R3 ) (1 )[U BE 1 ( I1 I 2 ) R1 ] R4 R4
(9—41a) (9—41b) (9—42)
第9章
功率电路及系统
UBE T UBE ＋ UT 发生器 UT T K 常数 URE F＝UBE ＋KU T
图9—29 能隙基准电压源的工作原理
第9章
功率电路及系统
式中，Ug0为半导体材料在绝对零度下(0K)的带隙
(Band—Gap)电压，即禁带宽度。硅材料的Ug0为1.205V， 锗材料的Ug0 为0.72V。该值是一个固定不变的电压值。 如式(9—42)所示，若调整K值使第二项与第三项相抵消， 则
U REF U g 0
(9—43)
第9章
功率电路及系统
二、能隙基准电压源电路
图9—30给出一个能隙基准电压源的电路例子。设 运算放大器是理想的，且RA=RB 因此有
U BE 1 U BE 2 U BE I1 I 2 R2 R2 U BE U BE 1 U BE 2 U T ln(n ) I1 I S 2 U T ln( ) I 2 I S1
高精度基准电压源
第9章
功率电路及系统
9—4 高精度基准电压源
在集成电路或电子设备中，常需要基准电压源 (U REF )。该类基准电压源要求精度高，温度稳定性好 (±0.2×10-6~±20×10-6左右)，噪声电压低，长期稳 定度好等，但其输出电流并不大，一般为几毫安~十几 毫安。实现此类电压基准功能的电路和器件有两种， 简要介绍如下。
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9—4—1能隙基准电压源
一、能隙基准电压源的工作原理 如图9—29所示，UBE为负温度系数，UT发生器乘以 系数K为负温度系数，二者经相加器相加后得到基准电 压UREF：
U REF U BE KUT
(9—40)
又知，结电压UＢＥ随温度上升而下降，即有
U BE U g 0 CT UT U REF kT q kT U g 0 CT K q
R3 2 R1 (1 )[U BE 1 U T ln(n )] R4 R2 R3 (1 )[U g 0 CT KUT ] R4
式中， K (9—46)
2 R1 ln(n ). R2 调节R1和R2的值，使KUT=CT，那么
U REF
R3 (1 )U g 0 R4
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9—4—2 以埋层齐纳管为参考的超高精度基准电压源
能隙基准电压源的ST≤3×10-6/℃，噪声电压 UNpp≥20μV。对于高分辨率的A/D、D/A(16位以上)，仍 感不足。以埋层齐纳管为参考的基准电压源的精度和稳 定度有望更高。 普通齐纳管的击穿机理发生在硅晶体表面，如图9— 31(a)所示，表面存在更多的杂质，易受机械压力和晶格 错位等因素影响，导致击穿噪声大，长期稳定性不好。
第9章
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图9—31 普通齐纳管和埋层齐纳管的击穿部位 (a)普通齐纳管；(b)埋层齐纳管
(9—47)
第9章
功率电路及系统
若R4 固定，则改变R3 ,即可得到不同的基准电压值。 美国AD公司的AD580、AD581、AD584、AD680系列 电压基准的原理电路与图9—30相同。例如，AD581的 基准电压UREF=10V±0.005V，温度系数ST为5×10-6/℃， 长期稳定度为25×10-6/1000h，输出噪声电压的峰峰值 小于40μV。
(9—44)
(9—45)
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功率电路及系统
RA
I2 RB
I1 ＋ －
UCC
URE F R3 U′
V2 R2 R1 I2 I1 ＋I2
V1 I1
R4
图9—30 能隙基准电压源电路
第9章
功率电路及系统
运放输出电压即基准电压UREF为
U REF
U (1
R3 R3 ) (1 )[U BE 1 ( I1 I 2 ) R1 ] R4 R4
(9—41a) (9—41b) (9—42)
第9章
功率电路及系统
UBE T UBE ＋ UT 发生器 UT T K 常数 URE F＝UBE ＋KU T
图9—29 能隙基准电压源的工作原理
第9章
功率电路及系统
式中，Ug0为半导体材料在绝对零度下(0K)的带隙
(Band—Gap)电压，即禁带宽度。硅材料的Ug0为1.205V， 锗材料的Ug0 为0.72V。该值是一个固定不变的电压值。 如式(9—42)所示，若调整K值使第二项与第三项相抵消， 则
U REF U g 0
(9—43)
第9章
功率电路及系统
二、能隙基准电压源电路
图9—30给出一个能隙基准电压源的电路例子。设 运算放大器是理想的，且RA=RB 因此有
U BE 1 U BE 2 U BE I1 I 2 R2 R2 U BE U BE 1 U BE 2 U T ln(n ) I1 I S 2 U T ln( ) I 2 I S1