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Voltage References 【中文翻译】

模拟电路

参考电压

Bandgap

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ADI Voltage References 【中文翻译版】

Voltage References

INTRODUCTION

电压基准和线性稳压器有很多共同之处。事实上，后者在功能

上可以被描述为一个参考电路，但具有更大的电流（或功率）输

出。因此，这两种电路类型的几乎所有规格都有很大的通用性（尽

管参考的性能在漂移、精度等方面通常更严格）。如今，在许多情

况下，支持电路都包含在转换器组件中。这对设计者来说是有利

的，因为它简化了设计过程并保证了系统的性能。

参考电压对模拟系统的性能和精度有重大影响。5 伏参考电压

上的±5 毫伏公差相当于±0.1%的绝对精度，仅为 10 位精度。对于 12

位系统，选择公差为±1 mV 的基准可能比执行手动校准更具成本效

益，而在进行绝对 16 位测量的系统中，高初始精度和校准都是必要

的。注意，许多系统进行相对测量，而不是绝对测量，在这种情况

下，参考的绝对精度并不重要，尽管噪声和短期稳定性可能会受到

影响。

温度漂移或老化引起的漂移可能比绝对精度更大。初始误差总

是可以调整的，但是补偿漂移是困难的。在可能的情况下，应为温

度系数和老化特性选择参考，以在系统的工作温度范围和预期寿命

内保持足够的精度。

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参考电压中的噪声经常被忽略，但在系统设计中它可能非常重

要。噪声是参考电压的瞬时变化。通常在数据表上有详细说明，但

系统设计师经常忽略该规范，并假设电压参考不会导致系统噪声。

电压参考必须考虑两个动态问题：它们在启动时的行为，以及

它们在瞬态负载下的行为。关于第一个问题，请始终记住，电压基

准不会立即通电（ADC 和 DAC 以及离散设计中的基准也是如此）。

因此，很少有可能打开 ADC 和参考，无论是内部的还是外部的，进

行读取，并在几微秒内再次关闭，无论这样的程序在节能方面多么

吸引人。

关于第二点，给定的参考 IC 可能适合脉冲加载条件，也可能不

适合，这取决于特定的体系结构。许多参考使用低功率，因此低带

宽，输出缓冲放大器。这会导致快速瞬态负载下的不良行为，这可

能会降低快速 ADC（尤其是逐次逼近和闪存 ADC）的性能。适当的

去耦可以缓解问题（但一些参考信号会随着电容性负载振荡），或

者可以使用额外的外部宽带缓冲放大器来驱动发生瞬变的节点。

SIMPLE DIODE REFERENCES

就电路连接的功能而言，标准参考 IC 通常只能以串联或三端形

式（VIN、Common、VOUT）提供，也只能以正极性提供。串联型

具有更低、更稳定的静态电流、标准的预调整输出电压和相对较高

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的输出电流，且无精度损失的潜在优势。分路或双端（即二极管

状）基准在操作极性方面更灵活，但在负载方面也更具限制性。事

实上，它们可以通过大范围变化的电阻供电电压输入消耗过多的功

率。此外，它们有时还带有非标准电压。当一种功能类型优于另一

种时，所有这些不同的因素都会起支配作用。

图 1 显示了一些简单的基于二极管的参考。在第一种情况下，

电流驱动的正向偏置二极管（或二极管连接的晶体管）产生电压

Vf=VREF。虽然结压降在某种程度上与原始电源解耦，但作为参考，

它有许多不足之处。其中包括约-0.3%/°C 的强 TC、对负载的一些敏

感性，以及相当不灵活的输出电压，它仅在 600 mV 的跳跃中可用。

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相比之下，这些最简单的参考（以及所有其他并联型稳压器）

有一个基本优势，即通过翻转连接和反转驱动电流，极性很容易可

逆。然而，所有并联调节器的一个基本限制是负载电流必须始终小

于（通常明显小于）驱动电流 ID。

在图 1 的第二个电路中，使用了齐纳二极管或雪崩二极管，实

现了明显更高的输出电压。当真正的齐纳击穿发生在 5V 以下时，雪

崩击穿发生在更高的电压下，并且具有正的温度系数。请注意，二

极管反向击穿在今天几乎被普遍称为齐纳击穿，尽管它通常是雪崩

击穿。当 D1 击穿电压在 5 至 8 V 范围内时，净正 TC 等于正向偏置二

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极管 D2 的负 TC，在适当的偏置电流下产生 100 ppm/°C 或更低的净

TC。这种精心选择的二极管组合构成了早期单封装“温度补偿齐纳”

参考的基础，例如 1N821-1N829 系列。

温度补偿齐纳基准在初始精度方面受到限制，因为最佳的 TC 组

合在奇数电压下下降，如 1N829 的 6.2 V。此外，该方案在负载方面

也受到限制，因为为了获得最佳 TC，必须小心控制二极管电流。与

基本上较低的电压（<2 V）基准不同，基于齐纳二极管的基准必须

由明显高于 6 V 电平的电压源驱动，因此这就排除了来自 5 V 系统电

源的齐纳基准的操作。由于击穿机制的基本噪声，基于低 TC 齐纳

（雪崩）二极管的基准也往往有噪声。如下文所述，使用单片齐纳

类型，这一点得到了极大的改进。

BANDGAP REFERENCES

基于硅的带隙电压的低电压（<5 V）基准的开发导致了各种可

在具有良好 TC 性能的低压电源上运行的 IC 的引入。第一个是

LM109（参考文献 1），图 2 中显示了一个基本的带隙参考电池。

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