这是一个仿照天下。无论汽车、微波炉还是手机，所有电子设备都必须以某种办法与“真实”天下交互。为此，电子设备必须能够将真实天下的丈量结果 (速率、压力、长度、温度) 映射到电子天下中的可测的量 (电压)。当然，要丈量电压，您须要一个衡量标准。该标准便是基准电压。对系统设计职员而言，问题不在于是否须要基准电压源，而是利用何种基准电压源？
基准电压源只是一个电路或电路元件，只要电路须要，它就能供应已知电位。这可能是几分钟、几小时或几年。如果产品须要采集真实天下的干系信息，例如电池电压或电流、功耗、旗子暗记大小或特性、故障识别等，那么必须将干系旗子暗记与一个标准进行比较。每个比较器、ADC、DAC 或检测电路必须有一个基准电压源才能完成上述事情 (图 1)。将目标旗子暗记与已知值进行比较，可以准确量化任何旗子暗记。
基准电压源规格
基准电压源有很多形式并供应不同的特性，但归根结底，精度和稳定性是基准电压源最主要的特性，由于其紧张浸染是供应一个已知输出电压。相对付该已知值的变革是偏差。基准电压源规格常日利用下述定义来预测其在某些条件下的不愿定性。
图 1.ADC 的基准电压源的范例用法
表 1.高性能基准电压源规格
温度系数
初始精度
IS
架构
VOUT
电压噪声
长期漂移
封装
LT1031
5ppm/°C
0.05%
1.2mA
深埋齐纳二极管
10V
0.6ppm
15ppm/kHr
H
LT1019
5ppm/°C
0.05%
650µA
带隙
2.5V、4.5V、5V、10V
2.5ppm
SO-8、PDIP
LT1027
5ppm/°C
0.05%
2.2mA
深埋齐纳二极管
5V
0.6ppm
20ppm/月
SO-8、PDIP
LT1021
5ppm/°C
0.05%
800µA
深埋齐纳二极管
5V、7V、10V
0.6ppm
15ppm/kHr
SO-8、PDIP、H
LTC6652
5ppm/°C
0.05%
350µA
带隙
1.25V、2.048V、
2.1ppm
60ppm/√kHr
MSOP
2.5V、3V、3.3V、
4.096V、5V
LT1236
5ppm/°C
0.05%
800µA
深埋齐纳二极管
5V、10V
0.6ppm
20ppm/kHr
SO-8、PDIP
LT1461
3ppm/°C
0.04%
35µA
带隙
2.5V、3V、3.3V、4.096V 和 5V
8ppm
60ppm/√kHr
SO-8
LT1009
15ppm/°C
0.2%
1.2mA
带隙
2.5V
20ppm/kHr
MSOP-8, SO-8, Z
LT1389
20ppm/°C
0.05%
700nA
带隙
1.25V, 2.5V, 4.096V, 5V
20ppm
SO-8
LT1634
10ppm/°C
0.05%
7µA
带隙
1.25V, 2.5V, 4.096V, 5V
6ppm
SO-8, MSOP-8, Z
LT1029
20ppm/°C
0.20%
700µA
带隙
5V
20ppm/kHr
Z
LM399
1ppm/°C
2%
15mA
深埋齐纳二极管
7V
1ppm
8ppm/√kHr
H
LTZ1000
0.05ppm/°C
4%
深埋齐纳二极管
7.2V
0.17ppm
2µV/√kHr
H
0.1Hz–10Hz，峰峰值
初始精度
在给定温度 (常日为 25°C) 下测得的输出电压的变革。虽然不同器件的初始输出电压可能不同，但如果它对付给定器件是恒定的，那么很随意马虎将其校准。
温度漂移
该规格是基准电压源性能评估利用最广泛的规格，由于它表明输出电压随温度的变革。温度漂移是由电路元件的毛病和非线性引起的，因此常常是非线性的。
对付许多器件，温度漂移 TC (以 ppm/°C 为单位) 是紧张偏差源。对付具有同等漂移的器件，校准是可行的。关于温度漂移的一个常见误解因此为它是线性的。这导致了诸如“器件在较小温度范围内的漂移量会较少”之类的不雅观点，然而事实常常相反。TC 一样平常用“黑盒法”指定，以便让人理解全体事情温度范围内的可能偏差。它是一个打算值，仅基于电压的最小值和最大值，并不考虑这些极值发生的温度。
对付在指定温度范围内具有非常好线性度的基准电压源，或者对付那些未经仔细调度的基准电压源，可以认为最差情形偏差与温度范围成比例。这是由于最大和最小输出电压极有可能是在最大和最小事情温度下得到的。然而，对付经由仔细调度的基准电压源 (常日通过其非常低的温度漂移来剖断)，其非线性特性可能占主导地位。
例如，指定为 100ppm/°C 的基准电压源方向于在任何温度范围内都有相称好的线性度，由于元件不匹配引起的漂移完备粉饰了其固有非线性。相反，指定为 5ppm/°C 的基准电压源，其温度漂移将以非线性为主。
图 2.基准电压源温度特性
基准电压源有很多形式并供应不同的特性，但归根结底，精度和稳定性是基准电压源最主要的特性，由于其紧张浸染是供应一个已知输出电压。相对付该已知值的变革是偏差。基准电压源规格常日用来预测其在某些条件下的不愿定性。
这在图 2 所示的输出电压与温度特性的关系中很随意马虎看出。把稳，个中表示了两种可能的温度特性。未补偿的带隙基准电压源表现为抛物线，最小值在温度极值处，最大值在中间。此处所示的温度补偿带隙基准电压源 (如 LT1019) 表现为“S”形曲线，其最大斜率靠近温度范围的中央。在后一种情形下，非线性加剧，从而降落了温度范围内的总体不愿定性。
温度漂移规格的最佳用场是打算指定温度范围内的最大总偏差。除非很好的理解了温度漂移特性，否则一样平常不建议打算未指定温度范围内的偏差。
长期稳定性
该规格衡量基准电压随韶光变革的趋势，与其他变量无关。初始偏移紧张由机器应力的变革引起，后者常日来源于引线框架、裸片和模塑化合物的膨胀率的差异。这种应力效应每每具有很大的初始偏移，尔后随着韶光推移，偏移会迅速减少。初始漂移还包含电路元件电气特性的变革，个中包括器件特性在原子水平上的建立。更长期的偏移是由电路元件的电气变革引起的，常常称之为“老化”。与初始漂移比较，这种漂移方向于以较低速率发生，并且会随着韶光推移变革速率会进一步降落。因此，它常常用“漂移/√khr”来表示。在较高温度下，基准电压源的老化速率每每也更快。
热迟滞
这一规格常常被忽略，但它也可能成为紧张偏差源。它实质上是机器性的，是热循环导致芯片应力改变的结果。经由很大的温度循环之后，在给定温度下可以不雅观察到迟滞，其表现为输出电压的变革。它与温度系数和韶光漂移无关，会降落初始电压校准的有效性。
在随后的温度循环期间，大多数基准电压源方向于在标称输出电压附近变革，因此热迟滞常日以可预测的最大值为限。每家制造商都有自己指定此参数的方法，因此范例值可能产生误导。估算输出电压偏差时，数据手册 (如 LT1790 和 LTC6652) 中供应的分布数据会更有用。
图 3.分流基准电压源
图 4.串联基准电压源
其他规格
根据运用哀求，其他可能主要的规格包括：
电压噪声
线性调度率/PSRR
负载调度率
压差
电源电压范围
电源电流
基准电压源类型
基准电压源紧张有两类：分流和串联。串联和分流基准电压源拜会表 2。
分流基准电压源
分流基准电压源是 2 端器件，常日设计为在指定电流范围内事情。虽然大多数分流基准电压源是带隙类型并供应多种电压，但可以认为它们与齐纳二极管型一样易用，事实也确实如此。
最常见的电路是将基准电压源的一个引脚连接到地，另一个引脚连接到电阻。电阻的另一个引脚连接到电源。这样，它本色上变成一个三端电路。基准电压源和电阻的公共端是输出。电阻的选择必须适当，使得在全体电源范围和负载电流范围内，通过基准电压源的最小和最大电流都在额定例模内。如果电源电压和负载电流变革不大，这些基准电压源很随意马虎用于设计。如果个中之一或二者可能发生重大变革，则所选电阻必须适应这种变革，常日会导致电路实际耗散功率比标称情形所需大得多。从这个意义上讲，它可以被认为像 A 类放大器一样运作。
分流基准电压源的优点包括：设计大略，封装小，在宽电流和负载条件下具有良好的稳定性。此外，它很随意马虎设计为负基准电压源，并且可以合营非常高的电源电压利用 (由于外部电阻会分担大部分电位)，或合营非常低的电源电压利用 (由于输出可以仅低于电源电压几毫伏)。ADI公司供应的分流产品包括 LT1004、LT1009、LT1389、LT1634、LM399 和 LTZ1000。范例分流电路如图 3 所示。
串联基准电压源
串联基准电压源是三 (或更多)端器件。它更像低压差 (LDO) 稳压器，因此其许多优点是相同的。最值得把稳的是，其在很宽的电源电压范围内花费相对固定的电源电流，并且只在负载须要时才传导负载电流。这使其成为电源电压或负载电流有较大变革的电路的空想选择。它在负载电流非常大的电路中特殊有用，由于基准电压源和电源之间没有串联电阻。
ADI公司供应的串联产品包括 LT1460、LT1790、LT1461、LT1021、LT1236、LT1027、LTC6652、LT6660 等等。LT1021 和 LT1019 等产品可以用作分流或串联基准电压源。串联基准电压源电路如图 4 所示。
图 5.设计带隙电路供应理论上为零的温度系数
图 6.200mV 基准电压源电路
基准电压源电路
有许多方法可以设计基准电压源 IC。每种方法都有特定的优点和缺陷。
基于齐纳二极管的基准电压源
深埋齐纳型基准电压源是一种相对大略的设计。齐纳 (或雪崩) 二极管具有可预测的反向电压，该电压具有相称好的温度稳定性和非常好的韶光稳定性。如果保持在较小温度范围内，这些二极管常日具有非常低的噪声和非常好的韶光稳定性，因此实在用于基准电压变革必须尽可能小的运用。
与其他类型的基准电压源电路比较，这种稳定性可归因于元件数量和芯片面积相对较少，而且齐纳元件的布局很风雅。然而，初始电压和温度漂移的变革相对较大，这很常见。可以增加电路来补偿这些毛病，或者供应一系列输出电压。分流和串联基准电压源均利用齐纳二极管。
LT1021、LT1236 和 LT1027 等器件利用内部电流源和放大器来调节齐纳电压和电流，以提高稳定性，并供应多种输出电压，如 5V、7V 和 10V。这种附加电路使齐纳二极管与很多运用电路兼容性更好，但须要更大的电源裕量，并可能引起额外的偏差。
其余，LM399 和 LTZ1000 利用内部加热元件和附加晶体管来稳定齐纳二极管的温度漂移，实现温度和韶光稳定性的最佳组合。此外，这些基于齐纳二极管的产品具有极低的噪声，可供应最佳性能。LTZ1000 的温度漂移为 0.05ppm/°C，长期稳定性为 2μV/√kHr，噪声为 1.2μVP-P。为了便于理解，以实验室仪器为例，噪声和温度引起的 LTZ1000 基准电压的总不愿定性只有大约 1.7ppm，加上老化引起的每月不到 1ppm。
带隙基准电压源
齐纳二极管虽然可用于制作高性能基准电压源，但缺少灵巧性。详细而言，它须要 7V 以上的电源电压，而且供应的输出电压相对较少。比较之下，带隙基准电压源可以产生各种各样的输出电压，电源裕量非常小——常日小于 100mV。带隙基准电压源可设计用来供应非常精确的初始输出电压和很低的温度漂移，无需耗时的运用中校准。
带隙操作基于双极结型晶体管的基本特性。图 5 所示为一个基本带隙基准电压源——LT1004 电路的简化版本。可以看出，一对不匹配的双极结型晶体管的 VBE 具有与温度成正比的差异。这种差异可用来产生一个电流，其随温度线性上升。当通过电阻和晶体管驱动该电流时，如果其大小得当，晶体管的基极-发射极电压随温度的变革会抵消电阻两端的电压变革。虽然这种抵消不是完备线性的，但可以通过附加电路进行补偿，使温度漂移非常低。
表 2.ADI公司供应的基准电压源
类型
器件
解释
串联
LT1019
精密带隙
LT1021
精密低噪声深埋齐纳二极管
LT1027
精密 5V 深埋齐纳二极管
LT1031
精密低噪声/低漂移 10V 齐纳二极管
LT1236
精密低噪声深埋齐纳二极管
LT1258
微功耗 LDO 带隙
LT1460
微功耗精密带隙
LT1461
微功耗超精密带隙
LT1790
微功耗低压差带隙
LT1798
微功耗 LDO 带隙
LT6650
微功耗 400mV/可调带隙
LTC6652
精密低噪声 LDO 带隙
分流
LM129
精密 6.9V 深埋齐纳二极管
LM185
微功耗 1.2V/2.5V 齐纳二极管
LM399
精密 7V 加热齐纳二极管
LT1004
微功耗 1.2V/2.5V 带隙
LT1009
精密 2.5V 带隙
LT1029
5V 带隙
LT1034
微功耗双通道 (1.2V 带隙/7V 齐纳二极管)
LT1389
纳安功耗精密带隙
LT1634
微功耗精密带隙
LTZ1000
超精密加热齐纳二极管
基本带隙基准电压源背后的数学事理很故意思，由于它将已知温度系数与独特的电阻率相结合，产生理论上温度漂移为零的基准电压。图 5 显示了两个晶体管，经调度后，Q10 的发射极面积为 Q11 的 10 倍，而 Q12 和 Q13 的集电极电流保持相等。这就在两个晶体管的基极之间产生一个已知电压：
个中，k 为玻尔兹曼常数，单位为 J/K (1.38×10-23)；T 为开氏温度 (273 + T (°C))；q 为电子电荷，单位为库仑 (1.6x10-19)。在 25°C 时，kT/q 的值为 25.7mV，正温度系数为 86μV/°C。∆VBE 为此电压乘以 ln(10) 或 2.3，25°C时 电压约为60mV，温度系数为 0.2mV/°C。
将此电压施加到基极之间连接的 50k 电阻，产生一个与温度成比例的电流。该电流偏置二极管 Q14，25°C 时其电压为 575mV，温度系数为 -2.2mV/°C。电阻用于产生具有正温度系数的压降，其施加到 Q14 二极管电压上，从而产生大约 1.235V 的基准电压电位，理论上温度系数为 0mV/°C。这些压降如图 5 所示。电路的平衡供应偏置电流和输出驱动。
ADI公司生产各种各样的带隙基准电压源，包括小型廉价精密串联基准电压源 LT1460、超低功耗分流基准电压源 LT1389 以及超高精度、低漂移基准电压源 LT1461 和 LTC6652。可用输出电压包括 1.2V、1.25V、2.048V、2.5V、3.0V、3.3V、4.096V、4.5V、5V 和 10V。这些基准电压可以在很宽范围的电源和负载条件下供应，并且电压和电流开销极小。产品可能具有非常高的精度，例如 LT1461、LT1019、LTC6652 和 LT1790；尺寸可能非常小，例如 LT1790 和 LT1460 (SOT23)，或采取 2mm×2mm DFN 封装的 LT6660；或者功耗非常低，例如 LT1389，其功耗仅需 800nA。虽然齐纳基准电压源在噪声和长期稳定性方面每每具有更好的性能，但新的带隙基准电压源正在缩小差距，例如 LTC6652 的峰峰值噪声 (0.1Hz 至10Hz) 为 2ppm。
图 7.LT6700 支持与低至 400mV 的阈值进行比较
分数带隙基准电压源
这种基准电压源基于双极晶体管的温度特性设计，但输出电压可以低至几毫伏。它适用于超低电压电路，特殊是阈值必须小于常规带隙电压 (约 1.2V) 的比较器运用。
图 6 所示为 LM10 的核心电路，同正常带隙基准电压源相似，个中结合了与温度成正比和成反比的元件，以得到恒定的 200mV 基准电压。分数带隙基准电压源常日利用 ΔVBE 产生一个与温度成正比的电流，利用 VBE 产生一个与温度成反比的电流。二者以适当的比例在一个电阻元件中合并，以产生不随温度变革的电压。电阻大小可以变动，从而改变基准电压而不影响温度特性。这与传统带隙电路的不同之处在于，分数带隙电路合并电流，而传统电路方向于合并电压，常日是基极-发射极电压和具有相反 TC 的 I•R。
像 LM10 电路这样的分数带隙基准电压源在某些情形下同样是基于减法。LT6650 具有 400mV 的此类基准电压，并且配有一个放大器。因此，可以通过改变放大器的增益来改变基准电压，并供应一个缓冲输出。利用这种大略电路可以产生低于电源电压 0.4V 至几毫伏的任何输出电压。LT6700 (图 7) 和 LT6703 是集成度更高的办理方案，其将 400mV 基准电压源与比较器相结合，可用作电压监控器或窗口比较器。400mV 基准电压源可以监控小输入旗子暗记，从而降落监控电路的繁芜性；它还能监控采取非常低电源电压事情的电路元件。如果阈值较大，可以添加一个大略的电阻分压器 (图 8)。这些产品均采取小尺寸封装 (SOT23)，功耗很低 (低于 10μA)，支持宽电源范围 (1.4V 至 18V)。此外，LT6700 供应 2mm x 3mm DFN 封装，LT6703 供应 2mm x 2mm DFN 封装。
图 8.通过输入电压分压来设置较高阈值
选择基准电压源
理解所有这些选项之后，如何为运用选择恰当的基准电压源呢？以下是一些用来缩小选择范围的窍门：
电源电压是否非常高？选择分流基准电压源。
电源电压或负载电流的变革范围是否很大？选择串联基准电压源。
是否须要高功效比？选择串联基准电压源。
确定实际温度范围。对付各种温度范围，包括 0°C 至 70°C、-40°C 至 85°C 和 -40°C 至 125°C，ADI公司供应规格和事情性能担保。
精度哀求应相符实际。理解运用所需的精度非常主要。这有助于确定关键规格。考虑到这一哀求，将温度漂移乘以指定温度范围，加上初始精度偏差、热迟滞和预期产品寿命期间的长期漂移，减去任何将在出厂时校准或定期重新校准的项，便得到总体精度。对付哀求最苛刻的运用，还可以增加噪声、电压调度率和负载调度率偏差。例如，一个基准电压源的初始精度偏差为 0.1% (1000ppm)，-40°C 至 85°C 范围内的温度漂移为 25ppm/°C，热迟滞为 200ppm，峰峰值噪声为 2ppm，韶光漂移为 50ppm/√kHr，则在电路建成时总不愿定性将超过 4300ppm。在电路通电后的前 1000 小时，这种不愿定性增加 50ppm。初始精度可以校准，从而将偏差降落至 3300ppm + 50ppm • √(t/1000 小时)。
ADI公司供应广泛的基准电压源产品，包括串联和分流基准电压源——采取齐纳二极管、带隙和其他方案。基准电压源有多种性能和温度等级，以及险些所有可能的封装类型。
实际电源范围是什么？最大预期电源电压是多少？是否存在基准电压源 IC 必须承受的故障情形，例如电池电源割断或热插拔感应电源尖峰等？这可能会显著减少可选择的基准电压源数量。
基准电压源的功耗可能是多少？基准电压源每每分为几类：大于 1mA，~500μA，<300μA，<50μA，<10μA，<1μA。
负载电流有多大？负载是否会花费大量电流或产生基准电压源必须接管的电流？很多基准电压源只能为负载供应很小电流，很少基准电压源能够接管大量电流。负载调度率规格可以有效解释这个问题。
安装空间有多少？基准电压源的封装多种多样，包括金属帽壳、塑料封装 (DIP、SOIC、SOT) 和非常小的封装，例如采取 2mm x 2mm DFN 的 LT6660。人们普遍认为，较大封装的基准电压源因机器应力引起的偏差要小于较小封装的基准电压源。虽然确有某些基准电压源在利用较大封装时性能更好，但有证据表明，性能差异与封装大小没有直接关系。更有可能的是，由于采取较小封装的产品利用的芯片较小，以是必须对性能进行某种取舍以适应芯片上的电路。常日，封装的安装方法对性能的影响比实际封装还要大，密切把稳安装方法和位置可以最大限度地提高性能。此外，当 PCB 波折时，占位面积较小的器件比较占位面积较大的器件，应力可能更小。详细谈论拜会ADI公司运用条记 AN82“理解和运用基准电压源”。
结论
ADI公司供应广泛的基准电压源产品，包括串联和分流基准电压源，设计方案有齐纳二极管、带隙和其他类型。基准电压源有多种性能和温度等级，以及险些所有已知的封装类型。从最高精度产品到小型廉价产品，搜罗万象。凭借弘大的基准电压源产品库，ADI公司的基准电压源可知足险些所有运用的需求。
