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基准电压源

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背景知识:
基准电压源或电压参考(Voltage Reference)通常是指在电路中用作电压基准的高稳定度的电压源。随着集成电路规模的不断增大。尤其是系统集成技术(SOC)的发展,它也成为大规模、超大规模集成电路和几乎所有数字模拟系统中不可缺少的基本电路模块。
在许多集成电路和电路单元中,如数模转换器(DAC)、 模数转换器〔ADC)、线性稳压器和开关稳压器,都需要精密而又稳定的电压墓准。在数模转换器中,DAC根据呈现在其输入端上的数字输入信号,从DC基准电压中选择和产生模拟输出;在模数转换器中,DC电压墓准又与模拟输入信号一起用于产生数字化的输出信号。
在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中都经常把基准电压源用作系统测量和校准的基准。因此,基准电压源在模拟集成电路中占有很重要的地位,它直接影响着电子系统的性能和精度。近年来对它的研究也一直很活跃,运用双极型工艺制成的基准电压源已能达到相当高的性能和精度。
与之同时,二十世纪七十年代以来,由于对MOS晶体管的基本理论和制造技术的深入研究,加上电路设计和工艺技术的进步,MOS模拟集成电路得到了迅速发展。其中CMOS电路更是凭其工艺简单、器件面积小、集成度高和功耗低等优点,成为数字集成电路产品的主流。在这一背景下,为了获得低成本、高性能的模拟集成电路产品,基于标准数字CMOS工艺的各种高精度模拟电路受到了人们的关注,并成为集成电技术中的一个重要研究领域。而各种高精度基准电压源由于其在数字模拟系统中的广泛应用,更加具有广阔的开发与应用前景。
基本原理:
理想的基准电压源应不受电源和温度的影响,在电路中能提供稳定的电压,“基准”这一术语正说明基准电压源的数值应比一般电源具有更高的精度和稳定性。
一般情况下,可用电阻分压作为基准电压,但它只能作为放大器的偏置电压或提供放大器的工作电流。这主要是由于其自身没有稳压作用,故输出电压的稳定性完全依赖于电源电压的稳定性。另外,也可用二极管的正向压降作为基准电压,它可克服上述电路的缺点,得到不依赖于电源电压的恒定基准电压,但其电压的稳定性并不高,且温度系数是负的,约为-2mV/℃。还可用硅稳压二极管(简称稳压管或齐纳管)的击穿电压作为基准电压,它可克服正向二极管作为基准电压的一些缺点,但其温度系数是正的,约为+2mV/℃ 。因此,以上几种均不适用于对基准电压要求高的场合。于是,在这种迫切的市场需求和设计者的不断努力下,高精度的基准电压源应运而生,并且种类繁多。
从工作原理的角度来看,主要分为三类:标准电池、温度补偿基准稳压管和集成电路固体基准电压源(简称集成基准电压源)。
一,标准电池
标准电池可分为饱和型和非饱和型两种。
饱和型标准电池输出电压为1.018V,长期稳定性能达到1?V/年(即1ppm/年);但温度系数较大,在接近200℃时,总温度系数约-40?V/℃ 。由于饱和型标准电池正负级的温度系数不同,在电极间温差仅0.0010℃时,就能引起0.3pV左右的电动势变化,因此要求使用中保持正负级的温度均衡。
非饱和型标准电池的温度系数较小,在接近20'C时约为-5?V/℃左右;但长期稳定性较差,年变化大于20-40?V/年。以上两种电池都有温度特性的滞后效应,且不能满载使用,但因其噪声低、电动势稳定、制造方便、造价便宜,因此在大多数只要求短期稳定性的精密电源中有广泛的应用。
二,温度补偿基准稳压管
温度补偿基准稳压管的温度系数可低达5?V/℃,且体积小、重量轻、结构简单便于集成;但存在噪声大、负荷能力弱、稳定性差以及基准电压较高、可调性较差等缺点。这种基准电压源不适用于便携式和电池供电的场合。
三.集成基准电压源
运用半导体集成电路技术制成的基准电压源种类较多,如深埋层稳压管集成基准源、双极型晶体管集成带隙基准源、CMOS集成带隙基准源等。“带隙基准源”是七十年代初出现的一种新型器件,它的问世使基准器件的指标得到了新的飞跃。从这些基准源中可获得1.22V至l0V中的各档基准电压。由于建立在非表面的带隙机理上,因此比基于表面击穿的稳压管器件更加稳定,选就能实现优于温度系数可达?V/℃(即2ppm/℃) ,输出电阻极低,更重要的是它无需挑60ppm的长期稳定性。由于带隙基准源具有高精度、低噪声、优点,因而广泛应用于电压调整器、数据转换器(A/D, D/A)、集成传感器、大器等,以及单独作为精密的电压基准件,低温漂等许多微功耗运算放。
从电路的连接方式角度来看,基准电压源主要分为两类。一类是三端式(输入、输出和公共引出端),又称串联式基准源。这种基准源的主要优点是静态电流比较低,可预先调整好标准输出电压,输出电流可以很大,而又不损失精度。另一类是二端式,又称并联式基准源。这种基准源的主要优点是工作极性比较灵活,但对负载要求比较严格,有时只能提供非标准电压。
现状和发展:
随着集成电路尤其是系统集成技术的发展,基准电压源的应用更为广泛。而复杂多变的工作环境、日益广阔的应用空间,都为基准电压源的发展提供了机遇和挑战。尤其是如何进一步降低基准电压源的温度系数和噪声,提高它的电压稳定度和长期稳定性,将成为人们长期关注和努力的课题。目前,己经出现利用MOS管中载流子的迁移率和阅值电压的温度效应进行互补偿的设计技术等等。这预示着随着VLSI和SOC技术的迅猛发展,及各种新技术、新工艺的不断应用,高精度基准电压源的设计技术还将不断进步,具有更加广阔的发展空间。



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