基準電壓源電路的設計與研究

山西工程技術學院 崔建國 寧永香

基準電壓源的應用及其廣泛，不同的電路系統應用不同的基準穩壓源電路設計，對常見的幾種基準穩壓源如電阻分壓式、正向二極管導通壓降式、齊納二極管穩壓式、UBE倍增電路構成式、帶隙基準源構成式，通過對這些基準源的比較，指出雖然帶隙基準源是最佳基準源設計，但針對不同的電路應用，應該選用最合適的基準源設計，求得最佳的性價比。

1 引言

基準電壓源電路是模擬電路包括分立元件電路和集成電路極為重要的組成部分，它為串聯型線性穩壓電路、模/數和數/模轉化器提供基準電壓，也是大多數傳感器電路的供電電源或激勵源。另外，基準電壓源也可作為標準電池電路、儀器表頭電路的刻度標準和精密電流源應用。

基準電壓源幾乎存在于所有的電子產品設計中，它們可能被獨立設計，用來對別的電路提供基準，也可能集成在比較復雜的集成電路中。比如要設計一個報警器電路中，可以利用運算放大器處于開環工作模式的比較器電路、或運放加以正反饋網絡構成滯回比較器電路，將傳感器輸出的信號與一個穩定的基準電壓源進行比較，比較器電路輸出一個“二值信號”，以觸發振蕩電路工作，推動喇叭發聲實現報警。

基準電壓源的建立根據不同的電路結構環境有不一樣的設計思路或方法，比如最簡單的電阻分壓方式、齊納二極管方式等。實際上，任何電路設計的重點或難點，不但要考慮設計成本，還要考慮產品的外觀尺寸，以及電路參數的準確度、電路耗散功率等諸多因數，為某一具體電路提供基準電壓源時，要考慮所有相關因數，這樣設計出來的基準源才是性價比最優的方案。（田金鵬,秦少宏,李儒章,臧劍棟,彭毅德.一種帶高階補償的低溫漂基準電壓源[J].微電子學,2018,48(02):162-166）

實際設計時，有時使用看似比較昂貴的電氣元件，最后完成的產品其綜合成本反而更低，原因就在于前期較高的設計成本，使后期的電路補償和校準所需要的花銷大為減小。所以基準電壓源的設計方法眾多，將常見的幾種基準電壓實現方法做個簡單介紹和對比，指出其優點以及缺點，以供不同的電路系統選用。

2 基準電壓源的類型

在實際電路設計過程中，兩種常見的基準電壓源是齊納基準電壓源和帶隙基準電壓源。齊納基準電壓源通常采用兩端并聯拓撲；帶隙基準電壓源通常采用三端串連拓撲，當然還有其它的基準電壓源類型，下面分別描述。

2.1 電阻分壓式基準電壓源

利用電阻分壓實現的基準電壓源只能作為放大器電路的偏置電壓或為放大器提供工作電流，主要原因是由于電阻分壓式基準電壓源自身沒有穩壓作用，所以這種電阻分壓式基準電壓源的輸出電壓的穩定性完全由整機電源電壓的穩定性來決定。

2.2 普通正向二極管構成基準電壓源

普通二極管，無論是普通硅整流二極管比如IN1000系列，還是用于開關電源整流的快恢復二極管比如IN58000系列，或肖特基二極管比如MBR20100CT,都可以將若干個二極管正向串聯構成所需的基準電壓源。

基本原理是利用二極管的正常導通壓降是一個確定值，比如普通IN1000系列正常導通壓降0.7V左右；快恢復二極管正常導通壓降0.6V左右；肖特基二極管正常導通壓降0.4V左右。故基準電壓源的構成如圖1所示，其中Vref就是基準電壓輸出（佘玉成,張春熹,李慧鵬.高精密電壓源設計與實現方法[J].壓電與聲光,2017,39(06):878-881）。

圖1 普通正向二極管構成基準電壓源原理圖

這種基準電壓源由于是將二極管依次串聯，是一種不依賴于電源電壓穩定程度的恒定基準電壓源，但由于二極管對溫度比較敏感、導致這種基準源的穩定性并不高，且溫度系數是負的，約為-2mV/℃。

2.3 齊納二極管以及溫度補償性齊納二極管構成基準穩壓電源

這種以普通穩壓二極管反向應用構成的基準穩壓電壓源可克服以正向二極管串接作為基準電壓源的一些缺點，但其溫度系數是正的，約為+2mV/℃。

由溫度補償性穩壓二極管構成的基準穩壓電源優點很多，比如具有體積較小、重量較輕、結構非常簡單、方便集成的優點；但這種基準源電壓噪聲大，負載能力弱，輸出穩定性差，還有基準電壓較高、可調節性較差等的缺點。采用這種設計的基準電壓源不適合用于便攜式和電池供電的環境。這種基準電壓源的電氣原理圖如圖2所示。

圖2 齊納二極管構成基準穩壓電源原理圖

圖2所示電路只要參數選擇合適，電阻R上的電壓增量就可以與VCC的電壓增量近似相等，從而使基準電壓Vref基本不變，上述過程可簡單描述如下：

2.4 利用UBE倍增電路得到UBE任意倍數的基準電壓

圖3 利用UBE倍增電路得到UBE任意倍數的基準電壓

UBE倍增電路如圖3所示，圖3中晶體管T這時可以看作一個穩壓二極管，實際上相當于一個可以調節的穩壓管（楊金亮,李天生.低功耗基準電壓源的設計與實現[J].溫州職業技術學院學報,2017,17(02):38-41+55）。

在這個電路中，若I2＞＞IB,則I1=I2，那么穩壓電壓Vref由電位器P的大小來決定。實際上晶體管T集電極和發射級之間的電壓VCE即Vref是由電阻R2和電位器P的比值決定的。由圖可知，R2兩端的電壓降總是等于晶體管T的基極——發射級之間的電壓VBE（0.6V）。所以，齊納管（這時T相當于一個齊納二極管）的電壓Vref應等于：

合理選擇電阻R2和電位器P，可以得到任意倍數的直流電壓，故稱為UBE倍增電路，同時也可以得到PN結任意倍數的溫度系數，故可以用于溫度補償。

2.5 利用帶隙基準源構成基準電壓源

應用半導體集成電路技術制成的基準電壓源種類較多，常見的有深埋層穩壓管集成基準電壓源以及雙極型晶體管集成帶隙基準電壓源，還有CMOS集成帶隙基準電壓源等。“帶隙基準源”是上世紀七十年代初出現的一種新型電子器件，它的問世使基準電子器件的指標得到了新的飛躍（楊虹,魯正.一種低溫漂帶隙基準電壓源設計[J].電子制作,2016(04):16）。

由于帶隙基準源電路具有高精度、低噪聲的優點，因而廣泛應用于電壓調整器電路、數據轉換器(A/D,D/A)電路、集成傳感器電路、放大器電路等設計中，以及單獨作為精密的電壓基準元器件，低溫漂等許多微功耗運算放大器電路。圖4所示是一款傳統帶運算的放大器的帶隙基準電路，運放AMP單電源供電。

圖4 利用帶隙基準源構成基準電壓源

3 結語

通過對當前常用的幾種基準穩壓電源的工作原理作簡單的介紹，指出各自特有的優點以及缺點和不足的地方，并且通過對比指出利用帶隙基準源構成基準電壓源是目前精度最高、噪聲最低、溫漂最低的一種基準穩壓電源，但其成本也是最高，故在實際應用中，根據實際情況，選擇最合適的穩壓源設計來借鑒，以取得最高的性價比。