電壓基準是許多電子應用中的關鍵組件，包括電子儀器（例如，數字萬用表）、模數和數模轉換器、線性和開關模式電源以及其他線性集成電路。

在本文中，我們將重點介紹德州儀器 (TI) 制造的帶隙電壓基準，并提供大量這種特殊形式的電壓基準。

單片電壓基準產生的輸出電壓基本上不受環境溫度、負載、輸入電壓供應和時間變化的影響。

帶隙電壓基準通常存在于線性穩壓器中，例如圖 1 中所示的 LM317。

78xx 和 79yy 系列以及德州儀器于 1977 年推出的三端可調精密并聯穩壓器集成電路，著名的 TL431 也有一個帶隙塊。

圖 1：LM317 帶隙 1.25V 直流電壓基準

1971 年，Robert J. Widlar 在其美國專利號 3.617.859 中提出了一種基于兩個具有不同發射極面積的晶體管制作電壓基準的新方法，用于生成與絕對溫度成正比的輸出電壓。

帶隙電壓參考單元是兩種主要串聯和并聯拓撲的核心，如圖 2 所示。

從原始 Widlar 的專利中，我們可以推導出一個電壓參考方程（圖 3）。

圖 3：電壓參考 V _{ref 的}公式

在哪里：

• J1和J2是電流密度
• V _{BE 0}是絕對溫度T 0的基極-發射極電壓
• V _{g 0}是半導體材料在絕對零（即 1.205 V）時的外推能帶隙電壓
• q是電子電荷 1.60217662 × 10 ^–19 C
• k是玻爾茲曼常數 1.38064852 × 10 ^–23 m ² kg s ^–2 K ^–1

Widlar 使用的基本思想是通過將其與具有正溫度系數的第二電壓 V(R2) 相加來補償基極發射極電壓 V _BE的負 (–2 mV/K)溫度系數。

電壓參考規格

1.溫度系數

參考電壓隨溫度的變化由其溫度系數 (TC) 定義，其單位為每攝氏度百萬分之一 (ppm/°C)。

通常，溫度系數可以用多項式的形式表示，如圖4所示：

圖 4：帶隙電壓基準的溫度系數表達式

其中TC ₁代表一階（線性）溫度相關性，TC ₂代表二階，依此類推。溫度系數可以在幾個不同的溫度范圍內指定，包括商業溫度范圍（0 至 70°C）、工業溫度范圍（–40°C 至 85°C）和擴展溫度范圍（–40°C至 125°C）。

德州儀器 (TI) 的 REF32xx 電壓基準系列采用 SOT23-6 封裝，額定漂移在 0°C 至 125°C 時為 7 ppm/°C，在 –40°C 至 125°C 時為 20 ppm/°C。有幾種方法可以確定 TC，其中最常用的是框法。

箱式方法使用整個溫度范圍內最大和最小 V _REF值的差異計算 TC ，而其他方法使用溫度范圍端點（T _MIN、T _MAX）處的V _REF值。

使用這種方法，可以在指定的溫度范圍內形成一個具有最小/最大標稱輸出電壓的盒子（圖 5）。

圖 5：用盒法定義溫度系數

德州儀器 (TI) 的 LM4140 電壓基準對于 A、B 和 C 等級的溫度系數為 3、6 和 10 ppm/°C。

2. 初始錯誤

初始誤差是設備開啟并預熱指定時間后的電壓值。

3. 初始精度和焊錫偏移

電壓參考 V _REF的初始精度表明它在室溫下如何接近規定的標稱值。例如，LM4140 電壓基準可提供 0.1% 的初始精度和低于帶隙電壓的輸出電壓。

影響初始精度的另一個因素稱為“焊料偏移”，它涉及由于電壓參考設備經歷的熱沖擊而導致的標稱電壓 (@ 25°C) 偏差。這種熱沖擊是由焊接過程本身引起的，無法避免。

4. 長期穩定性

該參數是指在規定的時間內輸出的變化，通常在標稱條件下為 1,000 小時。對于德州儀器 (TI) 的 REF32XX 系列典型漂移，0 至 1,000 小時的值約為 55 ppm。

5. 噪音表現

噪聲性能是疊加在參考電壓輸出中的電噪聲。它可以包括熱噪聲和窄帶 1/f 噪聲。使用簡單的RC網絡即可有效濾除寬帶噪聲；1/f 型噪聲規定在 0.1 至 10Hz 頻率范圍（峰峰值）內。例如，德州儀器 (TI) 提供的 LM4040 對于 2.5V 輸出具有 35 μV RMS 的寬帶噪聲值。

5. 線路調節

線路調節（圖 6）定義為輸入電壓變化引起的輸出電壓變化。

圖 6：線路調節

電源抑制比 (PSRR) 很少可以作為電源電壓噪聲的衡量標準。為低等效串聯電阻選擇的電容器可以改善 PSRR 參數。

6. 負載調節

負載調整率是由負載電流變化產生的輸出電壓變化（以百萬分之一為單位）（圖 7）。

圖 7：負載調節

7. 熱滯

熱滯后是由一次或多次熱偏移產生的V _REF值的偏移。熱滯后的原因包括由于溫度偏移、封裝類型、模塑料、芯片連接材料和集成電路布局本身而導致的熱機械感應芯片應力。

LM4140 的熱滯后為百萬分之 20。

AD580，三端帶隙電壓基準

Analog Devices AD580（圖 8）是 1974 年推出的基于帶隙的三端電壓基準，也稱為 Brokaw 單元。

圖 8：AD580

AD580 有兩個 8:1 發射極縮放晶體管 Q2、Q1，它們在相同的集電極電流下工作。帶隙電壓出現在 Q1 的基極。由于采用了激光修整的 R4 和 R5 電阻器，輸出值可以調整為不同于標準帶隙參考電壓值（例如 2.5、5 VDC）的電壓值。

來自 Robert J. Widlar 的 LM113

1971 年，Robert J. Widlar 推出了 National Semiconductor 制造的第一個帶隙電壓基準，并將其命名為 LM113（圖 9）。

圖 9：LM113

溫度補償齊納二極管是最容易使用的電壓基準。溫度補償齊納二極管可獲得的最低電壓為 6.2 VDC。當工作電源電壓為 6 VDC 或更低時，這使得很難獲得零溫度系數參考。

LM113 是一個 1.2-VDC、溫度補償并聯穩壓二極管。參考是使用晶體管和電阻器而不是嘈雜的擊穿機制合成的。

圖 10 顯示了 –55°C 至 125°C 溫度范圍內輸出電壓的典型變化。參考電壓隨溫度變化小于0.5%，溫度系數與工作電流相對無關。

圖 10：輸出電壓隨溫度變化

結論

基于硅帶隙電壓的電壓基準是各種模擬集成電路的基本模塊。帶隙基準電壓源具有良好的初始精度、長期穩定性和低噪聲操作，可提供高于標準 1.25 VDC 的輸出電壓。

帶隙基準也用于類似數字邏輯的發射極耦合邏輯，以提供不受溫度和環境噪聲影響的局部偏置電壓。

此外，SPICE 模型通?？捎糜诟鞣N封裝（三端子、DIP 等）中的大多數集成帶隙基準。


審核編輯：劉清