電壓基準是許多電子應用中的關鍵組件，包括電子儀器（例如，數(shù)字萬用表）、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、線性和開關模式電源以及其他線性集成電路。

在本文中，我們將重點介紹德州儀器 (TI) 制造的帶隙電壓基準，并提供大量這種特殊形式的電壓基準。

單片電壓基準產(chǎn)生的輸出電壓基本上不受環(huán)境溫度、負載、輸入電壓供應和時間變化的影響。

帶隙電壓基準通常存在于線性穩(wěn)壓器中，例如圖 1 中所示的 LM317。

78xx 和 79yy 系列以及德州儀器于 1977 年推出的三端可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓器集成電路，著名的 TL431 也有一個帶隙塊。

圖 1：LM317 帶隙 1.25V 直流電壓基準

1971 年，Robert J. Widlar 在其美國專利號 3.617.859 中提出了一種基于兩個具有不同發(fā)射極面積的晶體管制作電壓基準的新方法，用于生成與絕對溫度成正比的輸出電壓。

帶隙電壓參考單元是兩種主要串聯(lián)和并聯(lián)拓撲的核心，如圖 2 所示。

圖 2：電壓參考拓撲

從原始 Widlar 的專利中，我們可以推導出一個電壓參考方程（圖 3）。

圖 3：電壓參考 V _{ref 的}公式

在哪里：

J1和J2是電流密度
V _BE₀是絕對溫度T 0的基極-發(fā)射極電壓
V _g₀是半導體材料在絕對零（即 1.205 V）時的外推能帶隙電壓
q是電子電荷 1.60217662 × 10 ^–19 C
k是玻爾茲曼常數(shù) 1.38064852 × 10 ^–23 m ² kg s ^–2 K ^–1

Widlar 使用的基本思想是通過將其與具有正溫度系數(shù)的第二電壓 V(R2) 相加來補償基極發(fā)射極電壓 V _BE的負 (–2 mV/K)溫度系數(shù)。

電壓參考規(guī)格

1.溫度系數(shù)

參考電壓隨溫度的變化由其溫度系數(shù) (TC) 定義，其單位為每攝氏度百萬分之一 (ppm/°C)。

通常，溫度系數(shù)可以用多項式的形式表示，如圖4所示：

圖 4：帶隙電壓基準的溫度系數(shù)表達式

其中TC ₁代表一階（線性）溫度相關性，TC ₂代表二階，依此類推。溫度系數(shù)可以在幾個不同的溫度范圍內(nèi)指定，包括商業(yè)溫度范圍（0 至 70°C）、工業(yè)溫度范圍（–40°C 至 85°C）和擴展溫度范圍（–40°C至 125°C）。

德州儀器 (TI) 的 REF32xx 電壓基準系列采用 SOT23-6 封裝，額定漂移在 0°C 至 125°C 時為 7 ppm/°C，在 –40°C 至 125°C 時為 20 ppm/°C。有幾種方法可以確定 TC，其中最常用的是框法。

箱式方法使用整個溫度范圍內(nèi)最大和最小 V _REF值的差異計算 TC ，而其他方法使用溫度范圍端點（T _MIN、T _MAX）處的V _REF值。

使用這種方法，可以在指定的溫度范圍內(nèi)形成一個具有最小/最大標稱輸出電壓的盒子（圖 5）。

圖 5：用盒法定義溫度系數(shù)

德州儀器 (TI) 的 LM4140 電壓基準對于 A、B 和 C 等級的溫度系數(shù)為 3、6 和 10 ppm/°C。

2. 初始錯誤

初始誤差是設備開啟并預熱指定時間后的電壓值。

3. 初始精度和焊錫偏移

電壓參考 V _REF的初始精度表明它在室溫下如何接近規(guī)定的標稱值。例如，LM4140 電壓基準可提供 0.1% 的初始精度和低于帶隙電壓的輸出電壓。

影響初始精度的另一個因素稱為“焊料偏移”，它涉及由于電壓參考設備經(jīng)歷的熱沖擊而導致的標稱電壓 (@ 25°C) 偏差。這種熱沖擊是由焊接過程本身引起的，無法避免。

4. 長期穩(wěn)定性

該參數(shù)是指在規(guī)定的時間內(nèi)輸出的變化，通常在標稱條件下為 1,000 小時。對于德州儀器 (TI) 的 REF32XX 系列典型漂移，0 至 1,000 小時的值約為 55 ppm。

5. 噪音表現(xiàn)

噪聲性能是疊加在參考電壓輸出中的電噪聲。它可以包括熱噪聲和窄帶 1/f 噪聲。使用簡單的RC網(wǎng)絡即可有效濾除寬帶噪聲；1/f 型噪聲規(guī)定在 0.1 至 10Hz 頻率范圍（峰峰值）內(nèi)。例如，德州儀器 (TI) 提供的 LM4040 對于 2.5V 輸出具有 35 μV RMS 的寬帶噪聲值。