基准电压源电路的设计要求

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[导读] 最基本的电压基准源电路如图1(a)、稳压管的击穿特性如图1(b)所示。由图1(b)可见，不同稳压值的击穿特性并不相同，4V以下稳压管的击穿特性非常“软”，其端电压随通过电流的不同、变
关键词：电压源电路基准电压源

       最基本的电压基准源电路如图1(a)、稳压管的击穿特性如图1(b)所示。由图1(b)可见，不同稳压值的击穿特性并不相同，4V以下稳压管的击穿特性非常“软”(动态电阻可高达100Ω以上)，其端电压随通过电流的不同、变化很大；而6V以上的特性就非常“硬”、尤以8V左右的特性最硬(动态电阻约4～15Ω)，击穿电压越高动态电阻也越大，例如30V稳压管的动态电阻约为50～100Ω。

     环境温度变化时稳压管的击穿特性还会产生漂移。6V以下的稳压管具有负温度系数、温度升高时稳压值减小。击穿电压越低则负温度系数越大，例如3V稳压管的温度系数约为-1.5mV/℃；6V以上为正温度系数、温度升高时稳压值增大，击穿电压越高的温度系数越大，例如30V稳压管的温度系数约为33mV/℃；而6V左右稳压管的温度系数最小、且在正负之间变化。因而在允许情况下应尽可能选用击穿特性较硬、温度系数最小的6V稳压管。这类稳压管的另一个缺点是同一型号管子其击穿电压的离散性很大，例如2CW1为7～8.5V、2CW5 为11.5～14V，要想挑出合适电压值的管子是非常困难的。但如果对稳压值要求不高、电路又比较简单的场合，选用普通稳压管还是合适的。
    如需要很低的基准电压，要求不高、而又不希望增加成本时，也可利用二极管的正向特性做为约0.7V的稳压管使用。笔者曾用图示仪对大量二极管的正向特性做过观察，发现稳压管的正向特性相对其它二极管而言最硬，整流管次之、开关管最差，因此可用稳压管正向串联的办法组成0.7V、1.4V、2.1V等的低压基准源，还可以通过改变通过电流的办法微调其端电压值。其温度系数约为-2mV/℃左右。
    另一类常用的电压基准是采用半导体集成工艺生产的“基准二极管”和“精密电压基准”。“基准二极管”是一个双端单片式器件，其电特性和使用方法等同于稳压二极管，由于设计时已经考虑了动态电阻和温度系数问题，因而其性能(尤其是低电压器件)要比普通稳压管优越得多。例如LM103基准二极管，击穿电压分档：1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6V；动态电阻典型值：15Ω/0.13mA、5Ω/3mA、比稳压二极管低约10倍，因而可在比较小的电流(100 uA-1mA)下得到较稳定的基准电压。
    另一类较常用的基准二极管如LM385-1.2、LM385-2.5、LM336-2.5、LM336-5具有更小的动态电阻(如LM385 仅1Ω、LM336-5仅0.6Ω、LM336-2.5仅0.2Ω)，在很小的工作电流下即有很硬的特性、在10 uA电流下即可正常工作，而普通稳压管至少要在5～10mA下才能正常工作(严格讲并非不能工作，而是工作电流小时其击穿特性非常软、电流的微小变化即可引起端电压的明显变化)；温度系数低，典型值仅20ppm/℃、约25uV/℃，比普通稳压管低百倍以上；工作电压分别为1.235V、2.5V、5V且工作电压的离散性很小、仅1-2％，一般情况下具有互换性；价格也不贵，因而得到广泛使用。
    在要求稳定性极高的应用场合、可以考虑选用自恒温电压基准LM199/299/399系列，其稳定电压典型值为6.95V、动态电阻典型值0.5Ω、LM199/299温度系数<1ppm/℃。LM399温度系数<2ppm。其最大的优点是温度系数极小，可以说是几乎不受环境温度的影响。这是因为在其基片上除集成了一个能隙式电压基准外。还另外制造了一个加热、控温电路，工作时需单独对加热电路供电、即可自动将芯片加热并控温在90℃ ，因此只要环境温度的变化在85℃以下、可以认为芯片的环境温度没有变化．自然不会产生温度漂移。为保证恒温效果．在其金属壳外另加了一个由保温材料聚砜制造的隔热外壳．其管脚排列如图2所示．典型应用电路如图3所示。





    使用LM399时应注意的是，因其温度系数是有保证的．决定基准电压精度的主要矛盾转移到动态电阻上。在要求基准精度极高时．为基准芯片供电的工作电流必须恒定。如果如图3所示，基准芯片工作电流是由电源通过电阻提供，则要求供电电源必须恒定。笔者在研制高精度控温设备时发现，仅由普通三端稳压器如LM7809等次稳压供电的电源．在市电波动较大时其稳定度是不够的。相关实验数据如附表所示：

    由附表测试数据可见，市电±10％波动时、因7809输出电压仍有约86mV的变化，致使LM399基准芯片的工作电流亦产生微小变化。由于LM339的动态电阻并不为零，市电±10%的波动已造成基准电压约78 uV的变化。在高精度控制系统中．基准电压几个uV的变化就可能使系统精度超差。因此，在要求高稳定度的应用场合，最好对LM399的供电电源进行二次稳压，电路如图4所示。