基准电压源是一种用来作为电压标准的高稳定度电压源,目前,它已被广泛用于各种集成线性稳压器, 零温度系数的基准电压源,是人们在电子仪器和精密测量系统中长期追求的一种理想器件,传统的基准电压源是基于稳压管或晶体管的原理而制成的, 其电压温漂为mV/℃级,电压温度系数高达10^-3/℃~10^-4/℃,无法满足现代电子测量之需要,随着带隙基准电压源和隐埋式齐纳稳压管的问世, 才使上述愿望变为现实, 下面首先介绍传统基准电压源存在的缺点, 然后阐述基准电压源的分类及应用领域。

传统的基准电压源的基本原理

    传统的基准电压源有以下4种获取方法:

    (1)利用齐纳稳压管(以下简称稳压管)获取基准电压,当稳压管被反向击穿时,其稳定电压(即击穿电压)基本保持恒定,在要求不高的情況下可作基准电压源使用,稳压管在工作时需要串联一只限流电阻,其主要优点是成本低麻,缺点是稳定性差、高温度標移(电压温度系数为10^-3/℃~10^-4/℃)、功耗及噪声较高、输出阻抗较高(输出电流为5mA时内阻约为100ΩlmA时约为600Ω),但其稳压范围很宽(2~200V,视管子型号而定);输出功率较大(几毫瓦至几瓦),很适合用作电压钳位保护电路,另一种解决方案是利用有源电路来代替齐纳稳压管,就能克服稳压管的上述缺点。

    (2)将基极与集电极短接,利用硅晶体管发射结E-B的正向压降作基准,电路如图2-1-1所示,用此方法可获得0.6~0.7V的基准电压値,其优点是噪声电压极低,稳定电压値也低,缺点是具有负的温漂,发射结正向电压的温度系数α_T≈-2.lmV/℃,折合0.3%/℃;另外其动态电阻较大,图2-1-1中的U_REF表示基准电压。

图2-1-1  结正向压降作基准电压

    需要说明两点:①这里选用硅晶体管的发射结来代替石硅二极管,是因为将B、C极短接后,集电结压降的U_BC=0V,硅管呈饱和状态,此时集电极电流I_C具有恒流特性，可使U_REF不受I_C变化的影响,提高基准电压的稳定性;②若把N只硅晶体管的发射结相串联,可得到0.7N(V)的基准电压値。

    (3)利用硅晶体管发射结(E-B)的反向击穿电压作基准电压,电路如图2-1-2所示, 此法能获得5.8~7V的基准电压値, 但它也存在以下缺点:①该基准电压具有正的温漂, 发射结反向击穿电压的温度系数β_T≈+3.5mV/℃, 大约折合 0.05%/℃;②动态电阻较大, 当通过发别结的电流变化时,U_REF値也随之改变;③因为工作在反向击穿状太,所以热噪声电压较高,尤其当芯片温度较高时,该稳压源将输出十分可观的噪声电压。

图2-1-2  结正向压降作基准电压

    (4)将两个硅晶体管发射结正、反向串联后作为基准电压源, 如上所述,硅晶体管发射结的正向电压具有负的温度系数,而反向击穿电压具有正的温度系数,若把一个正向E-B结同一个反向E-B结串联起来,即可抵消押大部分的温漂,国产带温度补偿的2DW7型稳压管就是基于上述补偿原理而设计成的,其内部电路如图2-1-3所示,显然,由于β,.> lα,.l , β_T>|α_T|, 因此用这种方法只能减小温度漂移量(降至十1.4mV/℃),却不能使之为零。综上所述, 传统基准电压源已无法满足线性及开关稳压电源发展的需要。

图2-1-3  结正、反向串联后压降作基准电压

带系基准电压源的基本原理

    20世纪70年代初,维徳拉(Widlar)首先提出能带间隙基准电压源的概念,简称带隙(bandgap)电压,所谓能带间隙是指硅半导体材料在0K温度下的带隙电压,其数値约为1.205V,用U_g0表示,带隙基准电压源的基本原理是利用电阻压降的正温漂去补偿晶体管发别结正向压降的负温漂,从而实现了零温漂,由于未采用工作在反向击穿状态下的稳压管,因此噪声电压极低,目前生产的基准电压源大多为带隙基准电压源。

    带隙基准电压源的简化电路如图2-1-4所示,基准电压源的表达式为

UREF = UBE3 + IC2R2 =  UBE + (R2/R3)*(kT/q)*ln(R2/R1)          (2-1-1)

图2-1-4  带隙基准电压源的简化电路

    式中: k是为玻耳兹曼常数;q为电子电量;T是热力学温度,其电压温度系数

αT = dUREF/dT = dUBE/dT + (R2/R3)*(k/q)*ln(R2/R1)          (2-1-2)

    式中, 右边的第一项为负数 (dU_BE/dT≈-2.lmV/℃),第二项为正数,因此只要选择适当的电阻比,使两项之和等于零,即可实现零温漂標,其条件是

UBE0 + (R2/R3)*(kT0/q)*ln(R2/R1) =  Ug0 = 1.205V         (2-1-3)

    式中:U_BE0是常温T₀的U_BE値。这表明从理论上讲,基准电压与温度变化无关。实际上由于受基极电流I_b等因素的影响,U_REF只能接近于零温漂。

    带隙基准电压源与普通稳压管的性能比较见表2-1-1。

表2-1-1  带隙基准电压源与普通稳压管的性能比较