产生稳定电压的基准电压元件

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产生稳定电压的基准电压元件技术分类：电源技术 |2010-12-28PaulRako，EDN技术编辑:EDNChina　　基准电压元件是低输出功率的线性稳压电源，它提供一个固定的（或恒定的）电压，而与器件负载、电源变动、温度变化以及时间无关。基准电压元件遍布于电源稳压器、数据采集系统、ADC、DAC，以及其它各种测量与控制系统中。虽然基准电压元件无处不在，但性能却有很大不同。例如，一款用于计算机电源的稳压器可能要将其值稳定在标称值附近的几个百分点以内，而实验室基准电压元器件的精度与稳定性要以百万分之一计。　　几十年前的基准电压元器件提供的初始精度只有±10%，而现代的基准电压IC可以提供100ppm（即0.01%）的初始精度。AnalogDevices公司应用工程经理RezaMoghimi指出：“我们试图要让器件对线路、负载和温度的变动不敏感，以用于工业、科研与医疗市场中高要求的任务。”这些市场中的专业公司也可以很容易地进入对精度要求很严格军用市场与汽车市场。]　　稳压芯片亦有串联与并联之分（图1与参考文献1）。串联稳压器有两只分别用于输入电源与地的管脚；第三只管脚输出一个固定的或可调的电压。双端并联稳压器工作在一个限流的固定电压下。实际上每个稳压器采用的都是并联架构，因为一个串联基准电压元件也不过是一个并联基准电压元件加上一个电流馈送电路和一个缓冲输出。 　　在电子业的早期，工程师们是采用霓虹辉光管作基准电压元件（图2）。霓虹辉光管是一个有两只导电端子的玻璃容器，其中填充了稀薄的惰性气体（具有类似特性的化学元素）。在标准情况下，惰性气体都是无嗅、无色的单原子气体，化学活性低。自然界存在的六种惰性气体是：氦、氖、氩、氪、氙和氡。当在这些气体上施加66V〜200V的直流电压时，它们会被电离。一旦发生了离子击穿，则辉光管两侧的电压就降至直流48V〜80V的维持电压。如果跨辉光管的电压跌至低于这个维持电压，灯就会熄灭，必须再次为其施加离子击穿电压，使之发光（图3）。一只霓虹辉光管工作时通过的电流低至10A〜12A，或1pA。1996年，Signalite做出了可以在±0.5V内稳压的辉光管（参考文献2）。　　不过到了20世纪70年代，齐纳二极管（为并联式基准电压元件）取代了这些冷阴极辉光管（图4）。齐纳二极管的名称源于研究者ClarenceZener，他发现了这个效应（参考文献3）。虽然一些工程师将齐纳二极管看作雪崩二极管，但这两种二极管的物理原理并不相同（参考文献4、5、6）。齐纳击穿源于通过一个PN结产生量子力学隧道效应的电荷载流子。这种击穿出现在重掺杂的节点。PN结上的大电场加速电荷载流子，使之形成雪崩击穿。这些高速 载流子造成碰撞电离，随之又造成了电荷载流子的倍增。这种效应出现在轻掺杂的PN结。齐纳二极管制造商通过改变PN结的掺杂，利用这两种效应制造出不同击穿电压的二极管。在电压高至5.6V时，齐纳效应在二极管中占主导地位，而更高电压下的主导则是雪崩效应。两种效应在温度系数方面也有差别：齐纳器件为负击穿，而雪崩器件为正击穿。在5.6V时击穿的器件同时包含有两种效应，并且由于正、负温度系数互相抵消，而有小的温度系数。　　随着IC在上世纪70年代的普及，并联基准电压元件的集成成为关键。BurrBrown、AnalogDevices以及美国国家半导体这类公司都采用了在自己IC中置入齐纳二极管的方案（图5）。IC工艺的进步使得在芯片的表层下制造器件成为可能。与置入JFET一样，置入的齐纳二极管并不触及芯片的表面缺陷，意味着这些二极管有低的工作噪声水平。　　1971年，美国的一名线性模拟IC设计的先驱，电子工程师BobWidlar采用了一种基于带隙电压效应的基准电压元件，这种效应由飞兆半导体公司已故工程师DFHilbiber于1964年发现。带隙基准元件天生固有1.2V输出电压，近似于硅在0°K时的带隙电压（图6）。要使用其它输出电压的器件只需要用内部增益电路，增加或减少电压。模拟IC设计师Bob Pease改进了Widlar的设计，帮助美国国家半导体公司的IC设计师在很多芯片中采用了带隙电路（参考文献7）。Pease评论道：“在80年代，我们推出的40%〜60%带隙（电压效应基准）都有旧的失谐误差。很多此类误差都与IC布局有关，我们通过良好的设计审核，解决了这些问题。”　　1974年，PaulBrokaw（现在是IntegratedDeviceTechnology公司的高级技术专家）设计了一款带隙基准电压元件，它采用反馈方法提高精度和减少误差（图7）。Brokaw说：“我在试制一款分立式电源时构造出了它，我希望使用一个较低的基准电压，而不是一只6.8V的齐纳二极管。”　　除了置入式齐纳管与带隙型基准电压元件以外，还有一类基于JFET的器件，如AnalogDevices公司的ADR440（图8）。置入JFET能辅助这些器件在0.1Hz〜10Hz区间上实现1μV峰峰值的噪声规格。AnalogDevices公司的Moghimi也暗示该公司今年将推出一类新的基准电压元件，它们采用的是不同于本文前述任何技术的架构。 　　其它基准元件（如Intersil公司的产品）采用浮动栅FET，它类似于闪存的结构，但可编程设定为一个模拟电压（参考文献8和图9）。Intersil在器件中做电压缓冲，因此没有源于ESD（静电放电）二极管的泄漏电流，不会放掉浮动栅上的电荷。这些器件几乎不消耗电流，但噪声性能优于采用传统架构的小功率基准电压元件。Intersil公司IC设计经理BarryHarvey指出，基准电压IC在工艺和设计方面都需要一些聪明的技巧。他说：“我们做到最优后，发现浮动栅的泄漏在阿托量级(10-18A)，哪怕是在高温下。”　　Intersil采用了浮动栅而不是带隙，因此可以对芯片编程设定，使器件提供数十种输出电压。　　基准电压元件各种规格与特性　　基准电压元件有两种基本特性：负载调整与线路调整特性。负载调整是当器件吸入更多电流时，输出的变化情况。线路调整是指当器件的电源变化时，输出的变化情况。与负载调整有关的还有瞬时调整或输出阻抗。输出电压必须保持在一定范围内，即使在系统突然从基准电压IC拉出脉冲电流情况下。有些现代ADC的基准元件输入端会从你的器件拉出大的瞬时电流。有时，解决这个问题的方法是增加一个高输出的滤波电容，但你必须很小心，勿使基准电压变得不稳定。　　必须了解其各种特性与规格，才能正确地选择和使用基准电压元件。不需要关心其内部的架构问题。更重要的是了解器件的特性，而不是IC公司的内部设计方式。除了在并联稳压器与串联稳压器之间作选择以外，还必须确定您的系统中是否可以使用齐纳二极管。多数情况下，最好使用来自模拟芯片公司的专用基准电压元件IC。如果您需要超低功耗，则应使用串联基准电压元件，如Intersil公司的浮动栅器件。LinearTechnology公司提供的双极LT665器件，可以工作在低于1μA的供电电流下。 　　在考虑了自己的功率预算，并选定了串联或并联型基准器件以及输出电压后，还必须考虑器件的初始精度，即器件在室温下第一次加电时的精度。有些可调基准器件可以通过一两只电阻，自己设定输出电压或并联电压。这些电阻的精度与芯片的初始精度相组合，就确定了输出电压的总初始精度。更常见的情况是，选择一款输出电压固定为1.2V〜12V的器件。器件的初始精度决定了所购买的各器件接近于理想电压输出的程度。采用分立齐纳二极管或较老的基准电压IC时，可以实现10%的精度，这意味着必须在生产期间对电路作校准或调节。现代的器件（如AnalogDevices公司的AD588）都有接近于0.01%的初始精度。对于要求16、18甚至20bit精度的数据采集系统来说，这个特性是关键。另外一种推动采用高初始精度器件的因素来自于可充电锂离子电池的要求。无论是充电IC的设计或对锂离子电池充电电压的测量过程，都要求总精度优于0.5%。因此，基准电压元件应有接近于0.2%的初始精度，才能使系统总精度保持在电池芯厂家规定的0.5%数值内。　　设定了初始精度以后，就可以开始考虑输出电压漂移问题。温度漂移（设计者通常将其表述为一个温度系数，单位是百万分之一/每摄氏度）用于表示IC输出电压随环境温度变化的大小。如果系统要工作在一个较大温度范围上，如汽车或军用电路，则必须查看器件在整个温度范围上的精度，并将其加到器件的初始精度上。　　一旦确定了器件的初始精度和温漂，接下来就要看稳定性，即输出电压随时间的漂移情况。大多数器件会在运行的头六个月发生变化，然后稳定在一个较小的变化率。同样，输出漂移也会加到初始误差与温漂上。如果您希望系统在整个工作寿命内都有严格的精度，那么就必须采用有长期漂移规格的器件，从而将系统的基准电压保持在所要求的限度内。另外，也可以均化多只器件的输出，减少输出漂移的时间效应（参考文献9）。有些制造商采用额外的步骤来确定、设定与测量一只器件的温漂与长期稳定性，这些步骤要花时间，有一定成本。如，AnalogDevices测试ADR425基准电压元件的长期稳定性为50ppm/1000小时。　　基准电压IC还有一种关键但不太受重视的特性是加电安定时间。一只IC的输出不会立即稳定在所设定的范围内，因此固件工程师不应在电路运行的前数毫秒内作读取或校正工作。很多器件都规定了加电后有一个10μs的延迟。　　另外一个重要特性是噪声。由于串联基准元件仅是采用运放缓冲的并联基准元件，因此可以预期输出噪声特性与运放相近。噪声频谱在较高频率时是平坦的。不过，由于是对DC输出使用基准电压元件，因此大多数制造商都规定了自己产品（如在0.1Hz〜10Hz频率范围内）的峰峰输出噪声电压。增加输出电容可以降低这种噪声，但必须非常小心，不能造成基准电压的不稳定。与所有运放电路一样，驱动一个大的电容负载会使放大器发生振荡。AnalogDevices公司的Moghimi希望，模拟设计者应更仔细地阅读现代基准电压IC的数据表。他说：“有些客户仍然认为，最好在器件输出端放一个大的输出电容。但这样做即使不产生稳定问题，它也可能使温度系数恶化。”　　另一种降低噪声的技巧是将多只基准电压元件并联，然后同时加在输出上。噪声是一种随机现象，因此每只基准电压IC的噪声贡献都是一个rms（均方根）形式。于是，10只并联的基准元件就可以将电压噪声降低至10的平方根分之一，即大约1/3（图10）。先进的基准电压IC（如凌特技术公司的LTC6655）在0.1Hz〜10Hz范围上有0.625μV峰峰值的噪声特性。 　　另外一种与温度系数相关的特性是滞后效应，这种效应是指：当器件先加热，再冷却到初始温度时，输出漂移到了另一个电平。制造商一般将其设定为在一个温度经过区间（如0°C〜50°C再〜0°C）上的百万分之一值。与所有其它模拟电路类似，基准电压芯片也有PSRR（电源抑制比），即器件对供电电源中任何噪声或变动的衰减能力。这一特性现在很重要，因为越来越多系统采用开关型稳压器为基准电压IC供电。制造商一般将这种特性描述为在DC或一个频率范围上的电压分贝比率。　　PSRR在较高频率时总是下降的，通常在1MHz时跌至20dB或更低。如果您的基准电压芯片使用的电源中包含有在这些高频上工作的开关稳压器，则必须确保电源的纹波与噪声不会因为高频PSRR不良而混入基准电压输出中。一般解决这些问题的方法是在开关电源输出端放一个线性的前置稳压IC，然后再输出给基准电压芯片。另外，也可以在基准电压IC的电源端前面放RC（电阻/电容）或RLC（电阻/电感/电容）滤波器。这种方法可防止基准电压中出现高频噪声。　　有些工程师会用到基准电压元件的Spice模型；但要记住，这些模型的质量变化很大。例如，AnalogDevices公司在模型中模拟了大部分特性。其它公司则根本没有对基准元件建模。要确认您的模型考虑了会影响设计的所有规格与特性。也许必须做一次MonteCarloSpice运行，这能够看到精度的极限，但至少能了解所评估器件的极限。　　在多种特性中权衡　　基准电压元件的精度与噪声是系统设计中要权衡的两个重要方面。例如，液晶电视采用了D类音频子系统。D类放大器与开关电源类似，效率高于普通的AB类放大器。不过，D类放大器的一个缺点是它们的PSRR差于线性输出级。因此，必须使用一只质量较好的电源，或用一种更昂贵的带反馈的D类IC，反馈可以校正由于电源电压变化所产生的误差。这种权衡直接影响着对基准电压元件的选择。在低纹波和调节好的电源电路中，可以使用低噪声的基准电压元件。然后，音频系统就能使用较廉价的开环式D类放大电路。另一方面还有一种成本较低的方法，就是用带反馈与良好PSRR的D类放大器IC，这样就可以使用价格不高的电源电路。这种折中将随时代以及电视的功率与成本目标而改变。用更昂贵的基准电压电路可以节省其它费用，如对子系统，工厂校准或批量生产时的测试费用。　　      与模拟设计一样，基准电压元件的使用要比想象的复杂得多。虽然只有两到三只管脚，但很多特性都影响着它的质量（表1）。要确认您了解了所有规格与特性及其 重要性。如果有任何疑问，一定要咨询基准电压IC和数据转换IC制造商的应用工程部门。他们会很乐意帮助您了解基准电压IC使用方面的复杂问题。记住，在模拟世界中，一个初始精确的规格仅是一个开始。实际的精度要取决于时间、温度、电源质量，以及一系列其它因素。在设计开始时，要将基准电路的规格与特性考虑到误差预算中，以确保当电路进入批量生产时不会出现问题。然后，就可以举杯庆祝成功了，而不至忙着为基准元件的正常工作而下达ECO（工程变更指令）。　　参考文献1. “SeriesorShuntVoltageReference?”ApplicationNote4003,MaximIntegratedProducts,March19,2007.2. Bauman,Edward,ApplicationsofNeonLampsandGasDischargeTubes,CarltonPress,September1966.3. “ClarenceZener,”Wikipedia.4. VanZeghbroeck,Bart,“Principlesofsemiconductordevices,”2007.5. “ECE3950,”Slides25to29,VillanovaUniversity.6. Kruger,Anton,“ZenerandAvalancheDiodes."7. Pease,Bob,“TheDesignofBand-GapReferenceCircuits:TrialsandTribulations,”1990.8. Rako,Paul,“Analogfloating-gatetechnologycomesintoitsown,”EDN,Dec15,2009,pg29.9. Pease,Bob,“What’sAllThisLong-TermStabilityStuff,Anyhow?”ElectronicDesign,July20,2010.