基準(zhǔn)電壓源電路的設(shè)計(jì)與研究

山西工程技術(shù)學(xué)院 崔建國(guó) 寧永香

基準(zhǔn)電壓源的應(yīng)用及其廣泛，不同的電路系統(tǒng)應(yīng)用不同的基準(zhǔn)穩(wěn)壓源電路設(shè)計(jì)，對(duì)常見(jiàn)的幾種基準(zhǔn)穩(wěn)壓源如電阻分壓式、正向二極管導(dǎo)通壓降式、齊納二極管穩(wěn)壓式、UBE倍增電路構(gòu)成式、帶隙基準(zhǔn)源構(gòu)成式，通過(guò)對(duì)這些基準(zhǔn)源的比較，指出雖然帶隙基準(zhǔn)源是最佳基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)，但針對(duì)不同的電路應(yīng)用，應(yīng)該選用最合適的基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)，求得最佳的性價(jià)比。

1 引言

基準(zhǔn)電壓源電路是模擬電路包括分立元件電路和集成電路極為重要的組成部分，它為串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電路、模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)化器提供基準(zhǔn)電壓，也是大多數(shù)傳感器電路的供電電源或激勵(lì)源。另外，基準(zhǔn)電壓源也可作為標(biāo)準(zhǔn)電池電路、儀器表頭電路的刻度標(biāo)準(zhǔn)和精密電流源應(yīng)用。

基準(zhǔn)電壓源幾乎存在于所有的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，它們可能被獨(dú)立設(shè)計(jì)，用來(lái)對(duì)別的電路提供基準(zhǔn)，也可能集成在比較復(fù)雜的集成電路中。比如要設(shè)計(jì)一個(gè)報(bào)警器電路中，可以利用運(yùn)算放大器處于開(kāi)環(huán)工作模式的比較器電路、或運(yùn)放加以正反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成滯回比較器電路，將傳感器輸出的信號(hào)與一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行比較，比較器電路輸出一個(gè)“二值信號(hào)”，以觸發(fā)振蕩電路工作，推動(dòng)喇叭發(fā)聲實(shí)現(xiàn)報(bào)警。

基準(zhǔn)電壓源的建立根據(jù)不同的電路結(jié)構(gòu)環(huán)境有不一樣的設(shè)計(jì)思路或方法，比如最簡(jiǎn)單的電阻分壓方式、齊納二極管方式等。實(shí)際上，任何電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)或難點(diǎn)，不但要考慮設(shè)計(jì)成本，還要考慮產(chǎn)品的外觀尺寸，以及電路參數(shù)的準(zhǔn)確度、電路耗散功率等諸多因數(shù)，為某一具體電路提供基準(zhǔn)電壓源時(shí)，要考慮所有相關(guān)因數(shù)，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的基準(zhǔn)源才是性價(jià)比最優(yōu)的方案。（田金鵬,秦少宏,李儒章,臧劍棟,彭毅德.一種帶高階補(bǔ)償?shù)牡蜏仄鶞?zhǔn)電壓源[J].微電子學(xué),2018,48(02):162-166）

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)使用看似比較昂貴的電氣元件，最后完成的產(chǎn)品其綜合成本反而更低，原因就在于前期較高的設(shè)計(jì)成本，使后期的電路補(bǔ)償和校準(zhǔn)所需要的花銷大為減小。所以基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)方法眾多，將常見(jiàn)的幾種基準(zhǔn)電壓實(shí)現(xiàn)方法做個(gè)簡(jiǎn)單介紹和對(duì)比，指出其優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)，以供不同的電路系統(tǒng)選用。

2 基準(zhǔn)電壓源的類型

在實(shí)際電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，兩種常見(jiàn)的基準(zhǔn)電壓源是齊納基準(zhǔn)電壓源和帶隙基準(zhǔn)電壓源。齊納基準(zhǔn)電壓源通常采用兩端并聯(lián)拓?fù)?；帶隙基?zhǔn)電壓源通常采用三端串連拓?fù)洌?dāng)然還有其它的基準(zhǔn)電壓源類型，下面分別描述。

2.1 電阻分壓式基準(zhǔn)電壓源

利用電阻分壓實(shí)現(xiàn)的基準(zhǔn)電壓源只能作為放大器電路的偏置電壓或?yàn)榉糯笃魈峁┕ぷ麟娏?，主要原因是由于電阻分壓式基?zhǔn)電壓源自身沒(méi)有穩(wěn)壓作用，所以這種電阻分壓式基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓的穩(wěn)定性完全由整機(jī)電源電壓的穩(wěn)定性來(lái)決定。

2.2 普通正向二極管構(gòu)成基準(zhǔn)電壓源

普通二極管，無(wú)論是普通硅整流二極管比如IN1000系列，還是用于開(kāi)關(guān)電源整流的快恢復(fù)二極管比如IN58000系列，或肖特基二極管比如MBR20100CT,都可以將若干個(gè)二極管正向串聯(lián)構(gòu)成所需的基準(zhǔn)電壓源。

基本原理是利用二極管的正常導(dǎo)通壓降是一個(gè)確定值，比如普通IN1000系列正常導(dǎo)通壓降0.7V左右；快恢復(fù)二極管正常導(dǎo)通壓降0.6V左右；肖特基二極管正常導(dǎo)通壓降0.4V左右。故基準(zhǔn)電壓源的構(gòu)成如圖1所示，其中Vref就是基準(zhǔn)電壓輸出（佘玉成,張春熹,李慧鵬.高精密電壓源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法[J].壓電與聲光,2017,39(06):878-881）。

圖1 普通正向二極管構(gòu)成基準(zhǔn)電壓源原理圖

這種基準(zhǔn)電壓源由于是將二極管依次串聯(lián)，是一種不依賴于電源電壓穩(wěn)定程度的恒定基準(zhǔn)電壓源，但由于二極管對(duì)溫度比較敏感、導(dǎo)致這種基準(zhǔn)源的穩(wěn)定性并不高，且溫度系數(shù)是負(fù)的，約為-2mV/℃。

2.3 齊納二極管以及溫度補(bǔ)償性齊納二極管構(gòu)成基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源

這種以普通穩(wěn)壓二極管反向應(yīng)用構(gòu)成的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電壓源可克服以正向二極管串接作為基準(zhǔn)電壓源的一些缺點(diǎn)，但其溫度系數(shù)是正的，約為+2mV/℃。

由溫度補(bǔ)償性穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源優(yōu)點(diǎn)很多，比如具有體積較小、重量較輕、結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單、方便集成的優(yōu)點(diǎn)；但這種基準(zhǔn)源電壓噪聲大，負(fù)載能力弱，輸出穩(wěn)定性差，還有基準(zhǔn)電壓較高、可調(diào)節(jié)性較差等的缺點(diǎn)。采用這種設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓源不適合用于便攜式和電池供電的環(huán)境。這種基準(zhǔn)電壓源的電氣原理圖如圖2所示。

圖2 齊納二極管構(gòu)成基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源原理圖

圖2所示電路只要參數(shù)選擇合適，電阻R上的電壓增量就可以與VCC的電壓增量近似相等，從而使基準(zhǔn)電壓Vref基本不變，上述過(guò)程可簡(jiǎn)單描述如下：

2.4 利用UBE倍增電路得到UBE任意倍數(shù)的基準(zhǔn)電壓

圖3 利用UBE倍增電路得到UBE任意倍數(shù)的基準(zhǔn)電壓

UBE倍增電路如圖3所示，圖3中晶體管T這時(shí)可以看作一個(gè)穩(wěn)壓二極管，實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)可以調(diào)節(jié)的穩(wěn)壓管（楊金亮,李天生.低功耗基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2017,17(02):38-41+55）。

在這個(gè)電路中，若I2＞＞IB,則I1=I2，那么穩(wěn)壓電壓Vref由電位器P的大小來(lái)決定。實(shí)際上晶體管T集電極和發(fā)射級(jí)之間的電壓VCE即Vref是由電阻R2和電位器P的比值決定的。由圖可知，R2兩端的電壓降總是等于晶體管T的基極——發(fā)射級(jí)之間的電壓VBE（0.6V）。所以，齊納管（這時(shí)T相當(dāng)于一個(gè)齊納二極管）的電壓Vref應(yīng)等于：

合理選擇電阻R2和電位器P，可以得到任意倍數(shù)的直流電壓，故稱為UBE倍增電路，同時(shí)也可以得到PN結(jié)任意倍數(shù)的溫度系數(shù)，故可以用于溫度補(bǔ)償。

2.5 利用帶隙基準(zhǔn)源構(gòu)成基準(zhǔn)電壓源

應(yīng)用半導(dǎo)體集成電路技術(shù)制成的基準(zhǔn)電壓源種類較多，常見(jiàn)的有深埋層穩(wěn)壓管集成基準(zhǔn)電壓源以及雙極型晶體管集成帶隙基準(zhǔn)電壓源，還有CMOS集成帶隙基準(zhǔn)電壓源等?！皫痘鶞?zhǔn)源”是上世紀(jì)七十年代初出現(xiàn)的一種新型電子器件，它的問(wèn)世使基準(zhǔn)電子器件的指標(biāo)得到了新的飛躍（楊虹,魯正.一種低溫漂帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)[J].電子制作,2016(04):16）。

由于帶隙基準(zhǔn)源電路具有高精度、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于電壓調(diào)整器電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(A/D,D/A)電路、集成傳感器電路、放大器電路等設(shè)計(jì)中，以及單獨(dú)作為精密的電壓基準(zhǔn)元器件，低溫漂等許多微功耗運(yùn)算放大器電路。圖4所示是一款傳統(tǒng)帶運(yùn)算的放大器的帶隙基準(zhǔn)電路，運(yùn)放AMP單電源供電。

圖4 利用帶隙基準(zhǔn)源構(gòu)成基準(zhǔn)電壓源

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)當(dāng)前常用的幾種基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源的工作原理作簡(jiǎn)單的介紹，指出各自特有的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)和不足的地方，并且通過(guò)對(duì)比指出利用帶隙基準(zhǔn)源構(gòu)成基準(zhǔn)電壓源是目前精度最高、噪聲最低、溫漂最低的一種基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源，但其成本也是最高，故在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際情況，選擇最合適的穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)來(lái)借鑒，以取得最高的性價(jià)比。