串聯(lián)型或并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)的選擇

介紹了不同類型電壓基準(zhǔn)芯片的選擇，提供了選擇串聯(lián)型和并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)時(shí)需要考慮的幾項(xiàng)指標(biāo)。

串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)

串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)具有三個(gè)端子：VIN、VOUT和GND，類似于線性穩(wěn)壓器，但其輸出電流較低、具有非常高的精度。串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)從結(jié)構(gòu)上看與負(fù)載串聯(lián)(圖1)，可以當(dāng)作一個(gè)位于VIN和VOUT端之間的壓控電阻。通過調(diào)整其內(nèi)部電阻，使VIN值與內(nèi)部電阻的壓降之差(等于VOUT端的基準(zhǔn)電壓)保持穩(wěn)定。因?yàn)殡娏魇钱a(chǎn)生壓降所必需的，因此器件需汲取少量的靜態(tài)電流以確保空載時(shí)的穩(wěn)壓。串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)具有以下特點(diǎn)：

電源電壓(VCC)必須足夠高，保證在內(nèi)部電阻上產(chǎn)生足夠的壓降，但電壓過高時(shí)會損壞器件。

器件及其封裝必須能夠耗散串聯(lián)調(diào)整管的功率。

空載時(shí)，唯一的功耗是電壓基準(zhǔn)的靜態(tài)電流。

相對于并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)，串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)通常具有更好的初始誤差和溫度系數(shù)。

圖1. 三端串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)框圖

串聯(lián)型基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡便，只需確保輸入電壓和功耗在IC規(guī)定的最大值以內(nèi)： P_SER = (VSUP - VREF)IL + (VSUP x IQ)

對于串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)，最大功耗出現(xiàn)在最高輸入電壓、負(fù)載最重的情況下： WC_P_SER = (VMAX - VREF)ILMAX + (VMAX x IQ)

其中： P_SER = 串聯(lián)型基準(zhǔn)的功耗

VSUP = 電源電壓

VREF = 基準(zhǔn)電壓輸出

IL = 負(fù)載電流

IQ = 電壓基準(zhǔn)的靜態(tài)電流

WC_P_SER = 最大功耗

VMAX = 最大電源電壓

ILMAX = 最大負(fù)載電流

并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)

并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)有兩個(gè)端子：OUT和GND。它在原理上和穩(wěn)壓二極管很相似，但具有更好的穩(wěn)壓特性，類似于穩(wěn)壓二極管，它需要外部電阻并且和與負(fù)載并聯(lián)工作(圖2)。并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)可以當(dāng)作一個(gè)連接在OUT和GND之間的壓控電流源，通過調(diào)整內(nèi)部電流，使電源電壓與電阻R1的壓降之差(等于OUT端的基準(zhǔn)電壓)保持穩(wěn)定。換一種說法，并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)通過使負(fù)載電流與流過電壓基準(zhǔn)的電流之和保持不變，來維持OUT端電壓的恒定。并聯(lián)型基準(zhǔn)具有以下特點(diǎn)：

選擇適當(dāng)?shù)腞1保證符合功率要求，并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)對最高電源電壓沒有限制。

電源提供的最大電流與負(fù)載無關(guān)，流經(jīng)負(fù)載和基準(zhǔn)的電源電流需在電阻R1上產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膲航?，以保持OUT電壓恒定。

作為簡單的2端器件，并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)可配置成一些新穎的電路，例如負(fù)電壓穩(wěn)壓器、浮地穩(wěn)壓器、削波電路以及限幅電路。

相對于串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)，并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)通常具有更低的工作電流。

圖2. 2端并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)框圖

并聯(lián)型基準(zhǔn)設(shè)計(jì)

并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)稍微有些難度，必須計(jì)算外部電阻值。該數(shù)值(R1)需要保證由電壓基準(zhǔn)和負(fù)載電流產(chǎn)生的壓降等于電源電壓與基準(zhǔn)電壓的差值。采用最低輸入電源電壓和最大負(fù)載電流計(jì)算R1，以確保電路能在最壞情況下正常工作。下列等式用于計(jì)算R1的數(shù)值和功耗，以及并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)的功耗(圖3)。

R1 = (VMIN - VREF) / (IMO + ILMAX)

R1上的電流和功耗僅與電源電壓有關(guān)，負(fù)載電流對此沒有影響，因?yàn)樨?fù)載電流與電壓基準(zhǔn)的電流之和為固定值：

I_R1 = (VSUP - VREF) / R1

P_R1 = (VSUP - VREF)2 / R1

P_SHNT = VREF(IMO + I_R1 - IL)

最差工作條件發(fā)生在輸入電壓最大、輸出空載時(shí)：

WC_I_R1 = (VMAX - VREF) / R1

WC_P_R1 = (VMAX - VREF)2 / R1

WC_P_SHNT = VREF(IMO + WC_I_R1) 或 WC_P_SHNT = VREF(IMO + (VMAX - VREF) / R1)

其中：

R1 = 外部電阻

I_R1 = R1的電流

P_R1 = R1的功耗

P_SHNT = 電壓基準(zhǔn)的功耗

VMIN = 最低電源電壓

VMAX = 最高電源電壓

VREF = 基準(zhǔn)輸出

IMO = 電壓基準(zhǔn)最小工作電流

ILMAX = 最大負(fù)載電流

WC_I_ R1 = 最差情況下R1的電流

WC_P_R1 = 最差情況下R1的功耗

WC_P_SHNT = 最差情況下并聯(lián)電壓基準(zhǔn)的功耗

圖3. 并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)調(diào)整電流(IMO)以產(chǎn)生穩(wěn)定的VREF

選擇電壓基準(zhǔn)

理解了串聯(lián)型和并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)的差異，即可根據(jù)具體應(yīng)用選擇最合適的器件。為了得到最合適的器件，最好同時(shí)考慮串聯(lián)型和并聯(lián)型基準(zhǔn)。在具體計(jì)算兩種類型的參數(shù)后，即可確定器件類型，這里提供一些經(jīng)驗(yàn)方法：

如果需要高于0.1%的初始精度和25ppm的溫度系數(shù)，一般應(yīng)該選擇串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)。

如果要求獲得最低的工作電流，則選擇并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)。

并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)在較寬電源電壓或大動態(tài)負(fù)載條件下使用時(shí)必須倍加小心。請務(wù)必計(jì)算耗散功率的期望值，它可能大大高于具有相同性能的串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)(請參考以下范例)。

對于電源電壓高于40V的應(yīng)用，并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)可能是唯一的選擇。

構(gòu)建負(fù)電壓穩(wěn)壓器、浮地穩(wěn)壓器、削波電路或限幅電路時(shí)，一般考慮并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)。

例1：低電壓、固定負(fù)載

在這個(gè)便攜式應(yīng)用中，最關(guān)鍵的參數(shù)是功耗。以下為相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)：

VMAX = 3.6V

VMIN = 3.0V

VREF = 2.5V

ILMAX = 1μA

我們把范圍縮小到兩個(gè)器件： 串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)MAX6029

IQ = 5.75μA

WC_P_SER = (VMAX - VREF)ILMAX + (VMAX x IQ)

WC_P_SER = (3.6V - 2.5V)1μA + (3.6V x 5.75μA) = 21.8μW

該串聯(lián)型基準(zhǔn)是電路中唯一消耗功率的器件，因此，在最差工作條件下的總功耗為21.8μW。

并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)MAX6008

IMO = 1μA

R1 = (VMIN - VREF) / (IMO + ILMAX)

R1 = (3.0V - 2.5V) / (1μA + 1μA) = 250k

WC_I_R1 = (VMAX - VREF) / R1

WC_I_R1 = (3.6V - 2.5V) / 250k = 4.4μA

WC_P_R1 = (VMAX - VREF)2 / R1

WC_P_R1 = (3.6V - 2.5V)2 / 250k = 4.84μW

WC_P_SHNT = VREF(IMO + (VMAX - VREF) / R1)

WC_P_SHNT = 2.5V(1μA + (3.6V - 2.5V) / 250k) = 13.5μW

最差工作條件下的總功耗是R1的功耗(WC_P_R1)與并聯(lián)基準(zhǔn)功耗(WC_P_SHNT)的和，因此，總功耗為18.3μW。 該應(yīng)用中最合適的器件應(yīng)該是并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)MAX6008，其功率損耗為18.3μW (而MAX6029的功耗為21.8μW)。

該實(shí)例說明電源電壓變化對設(shè)計(jì)的影響較大。最初，并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)的1μA最小工作電流具有極大優(yōu)勢，但是為了確保能在最差工作條件下工作，其工作電流被迫增加至4.4μA。若電源電壓的變化范圍比本例中的要求(3.0V至3.6V)更寬一些，都會優(yōu)先考慮使用串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)。

例2：低電壓、變化的負(fù)載

本例類似于例1，但技術(shù)指標(biāo)有一些小的改變。與1μA固定負(fù)載不同，本例中的負(fù)載周期性地吸收電流，在99ms的時(shí)間內(nèi)吸收電流為1μA，1ms的時(shí)間內(nèi)吸收電流為1mA：

VMAX = 3.6V

VMIN = 3.0V

VREF = 2.5V

ILMAX = 1mA (1%的時(shí)間)

ILMIN = 1μA (99%的時(shí)間)

我們考慮同樣的兩種器件：

串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)MAX6029

IQ = 5.75μA

WC_P_SER = (VMAX - VREF)ILMAX + (VMAX x IQ)

WC_P_SER (1mA IL) = (3.6V - 2.5V)1mA + (3.6V x 5.75μA) = 1.12mW (1%的時(shí)間)

WC_P_SER (1μA IL) = (3.6V - 2.5V)1μA + (3.6V x 5.75μA) = 21.8μW (99%的時(shí)間)

平均功耗 = 1.12mW x 1% + 21.8μW x 99% = 32.78μW

并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)MAX6008

IMO = 1μA

R1 = (VMIN - VREF) / (IMO + ILMAX)

R1 = (3.0V - 2.5V) / (1μA + 1mA) = 499Ω

對于ILOAD = 1mA:

WC_P_R1 = (VMAX - VREF)2 / R1

WC_P_R1 = (3.6V - 2.5V)2 / 499 = 2.42mW (1%的時(shí)間)

P_SHNT = VREF(IMO + I_R1 - IL)

P_SHNT = 2.5V(1μA + 1mA - 1mA) = 2.5μW (1%的時(shí)間內(nèi))

對于ILOAD = 1μA:

WC_P_R1 = (VMAX - VREF)2 / R1

WC_P_R1 = (3.6V - 2.5V)2 / 499Ω = 2.42mW (99%的時(shí)間內(nèi))

P_SHNT = VREF(IMO + I_R1 - IL)

P_SHNT = 2.5V(1μA + 1mA - 1μA) = 2.5mW (99%的時(shí)間內(nèi))

平均功耗 = 2.42mW x 1% + 2.5μW x 1% + 2.42mW x 99% + 2.5mW x 99% = 4.895mW。

從上述實(shí)例可以看出：并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)的功耗超過了串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)的100倍。對于負(fù)載電流變化范圍較寬的應(yīng)用，串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)是更好的選擇。