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选择最佳的电压基准源.doc

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  • 上传时间:2023-08-13
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    • 选择最佳的电压基准源摘要:电压基准源简单、稳定的基准电压,作为电路设计的一个关键因素,电压基准源的选择需 要考虑多方面的问题并作出折衷本文讨论了不同类型的电压基准源以及它们的关键特性和设计 中需要考虑的问题,如精确度、受温度的影响程度、电流驱动能力、功率消耗、稳定性、噪声和 成本几乎在所有先进的电子产品中都可以找到电压基准源, 它们可能是独立的、 也可能集成在具有更多功能的器件中例如:? 在数据转换器中,基准源提供了一个绝对电压,与输入电压进行比较以确定适当的数字 输出 在电压调节器中,基准源提供了一个已知的电压值,用它与输出作比较,得到一个用于调节输出电压的反馈 在电压检测器中,基准源被当作一个设置触发点的门限要求什么样的指标取决于具 体应用,本文讨论不同类型 的电压基准源、它们的关键指标 和设计过程中要综合考虑的问题为设计人员提供了选择最佳电压基准源的 信息理想情况理想的电压基准源 应该具有完美的初始精度,并且在负载电流、温度和时间变化时 电压 保持稳定不变实际应用中,设计人员必须 在初始电压精度、电压 温漂、迟滞以及供出/吸 入电流的能力、静态电流(即功率消耗卜长期稳定性、噪声和成本等指标中进行 权衡与折衷。

      基准源的类型两种常见的基准源是 齐纳和带隙 基准源齐纳基准源通常采用两端并联拓扑;带隙基准 源通常采用三端串连拓扑齐纳二极管和并联拓扑齐纳二极管优化工作在反偏击穿区域,因为击穿电压相对比较稳定,可以通过一定的反 向电流驱动产生稳定的基准源齐纳基准源的最大好处 是可以得到 很宽的电压范围,2V到 200V它们还具有很宽范围的功率,从几个毫瓦到几瓦齐纳二极管的主要缺点是精确度 达不到高精度应用的要求,而且,很难胜任低功耗应用的要求例如:BZX84C2V7LT1,它 的击穿电压,即标称基准电压是2.5V,在2.3V至2.7V之间变化,即精确度为出%,这只适 合低精度应用齐纳基准源的另一个问题是它的输出 阻抗上例中器件的 内部阻抗 为5mA时100 Q和 1mA时600 Qo非零阻抗将导致 基准电压随负载电流的变化而发生变化选择低输出阻抗的 齐纳基准源将减小这一效应埋入型齐纳二极管是一种比常规齐纳二极管更稳定的特殊齐纳 二极管,这是因为采用了植入硅表面以下的结构作为另一种选择,可以用有源电 路仿真齐 纳二极管这种电路可以显著改善传统 齐纳器件的缺点MAX6330就是一个 这样的电路 负载电流在100 mA至50mA范围变化时,具有1.5% (最大)的初始精度。

      此类IC的典型应用 如图1所示吧 Vshunt卅M WV f—Load■shuntSHUNTRESETGENERATOR140msyvi>9Xl/viMAX6330MAX6331{ ) IS FOR MAX53JIRESET(RESET)图1.选择合适的并联 电阻所有的并联结构基准都需要一个与 其串联的限流电阻可以按照下式选择电阻:(ViN(max)-V shunt (min)) / (I SHUNT (max)+ I LOAD (min)) < Rs < (ViN(min) -V shunt (max)) /(I SHUNT (min) + I load (max))其中:Vin是输入电压VSHUNT是调节后的电压Iload是输出电流ISHUNT是最小并联工作电流注意,无论是否加有负载,并联电路消耗的电流都是I LOAD (max) + I SHUNT选择合适的Rs,相同的并联基准源可以用于10VIN或100VIN为RS的最大标称阻值对应于 最小的电流消耗注意,要保证一个满足电阻误差容限最差时的安全余量利用下式,可确 保电阻有足够的额定功率:Pr = |iN(ViN(max) -Vshunt)=I2in Rs=(Vin(max) - Vshunt ) /Rs带隙基准源和串联模式拓扑并联基准源和串联 基准源的最大不同是三端串联 模式电压基准 不需要外部电阻,并且静态 功 耗要小得多。

      最常见的是带隙基准源带隙基准带隙基准源提供 两个电压:一个具有 正温度系数、另一个具有负温度系数两者配合使输出温度系数为零正温度系数是由于运行在不同电流水平上两个Vbe的差异产生的;负温 度系数来自于Vbe电压本身的负值温度系数(见图2)在实际应用中,两个温度系数之和并不精 确为零这依赖于很多设计细节,如IC电路设计、 封装和制造测试等,这些器件通常可以实现每摄氏度5至100ppm的Vout温度系数WVPositiveNei^tiw lempco VbeVout *-oResi^pr |rtn ns+wQrt for selling Vout>»!--PDF 文件使用"pdfFactory Pro" 试用版本创建 PDF 文件使用"pdfFactory Pro" 试用版本创建 图2.带隙电压基准源采用并联还是串联结构一般由应用和希望达到的性能决定表1是并联结构的齐纳基准 与串联结构的带隙基准的对照表Buried Zener - Shunt TopologyBan d-GapSeriesTopology表1.电压基准对照表hZener - Shunt Topology a? Typically lower Vin? Wide/high Vin capable? Best for non-power criticalr, applications due to higher Iquiescento (1mA to 10mA) s? > 1% FS initial accy.?Wide/high Vin capable? Best for non-power critical applications due to higher Iquiescent (1mA to 10mA)?0.01% to 0.1% FS initial Accyrange? Lowquiesce nt current ((_A to ~1mA)? No extresistor? LowerIquiescent? 0.05% to1% FS initialPDF 文件使用"pdfFactory Pro" 试用版本创建 accy? LowC ? Current is always used?Higher Iquiescent than bandgapsdropout voltages? Limited VinPDF 文件使用"pdfFactory Pro" 试用版本创建 range? Passeleme ntlosses? Not all ? Not all series devices sinkseries devices curre ntsink currento ? Requires external resistorn' ? Lower precisions ? Can only sink current? High dropout voltageGotc ? Long-term stabilityh a's系统设计问题和基准源的选择功耗如果设计中等精确度的系统,比如一个 高效率、犬%电源或者是需要很小功率的8位数 据采样系统,可以使用MAX6025或MAX6192这类器件。

      这两个器件都是2.5V的基准源, 最大消耗电流为35吩它们的输出 阻抗非常低,因此基准电压几乎 完全不受Iout影响供出和吸入电流另一个指标是基准源供出 和吸入电流的能力大多数应用都需要电压基准源 为负载供 电,当然,要求基准源有能 力提供负载所需的电流它还需要提供所有的Ibias或漏电流D 这些电流之和有时会超过负载电流ADC和DAC所需要的典型基准源电流在几十微安(如 MAX1110)至10mA (最大值,女口 AD7886)MAX6101-MAX6105 系列 基准源能提供5mA电流, 吸入电流2mA对于较重负载,可选择MAX6225/MAX6241/MAX6250 系列基准源,它们能 提供15mA的供出和吸入电流温漂通常是一个可 校准的参数它一般是可重复性的误差通过校准或从以前得到的特 性中查找取值可以 实现这一误差的修正校准对于高分辨率系统是非常有用对一个16位系 统,如果要在整个商用温度范围(0°C至70°C,以25°C为基准点)保持精度在±1 LSB以内, 该基准源的 漂移必须小于1ppm/°C, AV = 1ppm/ °C x 5V x 45°C) = 255诅相同的温度漂移 扩展到工业温度范围下只 能适用于14位系统。

      噪声噪声通常 是随机热噪声,也可能包含闪烁 噪声和其它的寄生噪声源对于 低噪声应用 MAX6150、MAX6250和MAX6350是很好的选择,其噪声性能分别为35训,3凶 和3 ^Vp-p 所有这些对测量引入的噪声都小于1 LSB可以用多 次采样然后取平均的方法减小噪声,其 代价是增加了处理器的工作负担、提高了系统的复杂度和成本输出电压温度迟滞该参数定义为在参考温度下(25 °C)由于温度连续偏移(从热到冷,然后从冷到热)所引起的输 出电压的变化这一效应将导致负面影响,因为它的幅度直接与系统所处环境的温度偏移成 比例在许多系统中,这种误差一般不具有可重复性,受IC电路设计和封装的影响例如, 3引脚SOT23封装的MAX6001 ,温度迟滞典型值为130ppm而采用更大尺寸、更稳定的封 装,比如SO-8的MAX6190,该参数值只有75ppm长期稳定性这个参数定义为电压随时间的变化,它主要是由封装或系列 器件中的管芯应力或离子迁 移引起的注意保持电路板的洁净度,这也是一个影响长期稳 定性的因素,尤其是它会随温 度和湿度的变化而变化,这一影响有时比器件内在稳定性的影响还要大长期稳定性通常定 义在25 °C参考温度下。

      总结任何系统设计的难点都在于在成 本、体积、精确度、功耗等诸多因素的平衡与折衷为 具体设计选择最佳 基准源时需要考虑所有相关参数有趣的是,很多时候选用较贵的元件反 而使系统的整体成本更低,因为它可以降低制造过程中补偿和校准的花销蔻2. Maxim电压基准的蒂简乳表Number| Oti 单 SVoltage |V|Supply Voltage Range (V)Tempr Drift tppmrc max}Initial Accuracy TA -+25eC F .S, max)Quiescent Current (mA max)O.tHztolOH; Moise |pVp p). max 恂 p)Package OpiJonsTemp*Ranges' 1I4AX6160判严 to 2 ? b v 61Z.4/IOC1..-r 入 z匚、 SOT143,伽卩A ㈣ gQEMW6120 1 2 2 4 10 11 100MAX6520 1.2 2.4 lo 12 6 SO1170pA (10) SOT23 SO兀臥 (1Q| SOT23. SOEEf4AX6&01。

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