IC電壓基準(zhǔn)串聯(lián)和并聯(lián)的優(yōu)缺點(diǎn)

本文介紹了 IC 電壓基準(zhǔn)的主要類型（串聯(lián)和并聯(lián)），它們的優(yōu)缺點(diǎn)，以及如何在它們之間進(jìn)行選擇。在開(kāi)始比較可用設(shè)備之前，您應(yīng)該決定哪種類型最適合您的應(yīng)用程序。

串聯(lián)參考

串聯(lián)參考具有三個(gè)端子：V in、V out和 GND。雖然在概念上類似于線性穩(wěn)壓器，但它是為更低電流和更高精度而設(shè)計(jì)的。串聯(lián)基準(zhǔn)與負(fù)載串聯(lián)運(yùn)行（圖 1 ），可被視為 V in 和 V out 端子 之間的壓控電阻。

圖 1. 3 端子串聯(lián)電壓基準(zhǔn)的框圖。

它通過(guò)調(diào)整其內(nèi)部電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，使 V in 減去內(nèi)部電阻上的壓降等于 V out處的參考電壓。由于電流是產(chǎn)生電壓降所必需的，因此該器件會(huì)吸收一個(gè)小的靜態(tài)電流以確保在移除負(fù)載時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。系列參考具有以下特點(diǎn)：

電源電壓 （V cc ） 必須足夠高以允許內(nèi)部電阻上出現(xiàn)電壓降，但又不能高到足以損壞基準(zhǔn) IC。

IC 及其封裝必須處理串聯(lián)通路元件中的功耗。

在無(wú)負(fù)載電流的情況下，唯一的功耗來(lái)源是參考靜態(tài)電流。

串聯(lián)參考通常比并聯(lián)參考具有更好的初始容差和溫度系數(shù)。

系列參考的設(shè)計(jì)方程式

系列參考設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單。只需確保輸入電壓和功耗在 IC 規(guī)定的最大值范圍內(nèi)：

分流參考

分流參考有兩個(gè)端子，OUT 和 GND。它在概念上類似于齊納二極管，但具有更好的規(guī)格。與齊納二極管一樣，它需要一個(gè)外部電阻器并與其負(fù)載并聯(lián)運(yùn)行（圖 2）。

圖 2. 2 端子并聯(lián)電壓基準(zhǔn)的框圖。

它可以看作是 OUT 和 GND 端子之間的壓控電流源。調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)整電流電平來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使 V supply減去 R 1 上的壓降 等于 OUT 上的參考電壓。作為替代描述，分流基準(zhǔn)通過(guò)強(qiáng)制負(fù)載電流和流經(jīng)基準(zhǔn)的電流之和保持恒定，在 OUT 處保持恒定電壓。分流參考具有以下特點(diǎn)：

給定適當(dāng)?shù)?R 1 大小以適應(yīng)功耗，分流基準(zhǔn)對(duì)最大電源電壓沒(méi)有限制。

無(wú)論負(fù)載如何，電源都提供相同的最大電流。電源電流流經(jīng)負(fù)載和基準(zhǔn)，在 R 1上降低適當(dāng)?shù)碾妷?以維持 OUT 基準(zhǔn)電壓。

作為一種簡(jiǎn)單的 2 端子器件，并聯(lián)穩(wěn)壓器可用于新型電路配置，例如負(fù)穩(wěn)壓器、浮動(dòng)穩(wěn)壓器、限幅電路和限幅電路。

并聯(lián)基準(zhǔn)的工作電流通常比串聯(lián)基準(zhǔn)低。

分流參考的設(shè)計(jì)方程式

分流參考設(shè)計(jì)有點(diǎn)困難，因?yàn)槟仨氂?jì)算外部電阻值。該值 （R 1 ） 必須確保其由參考和負(fù)載電流引起的電壓降等于電源電壓和參考電壓之間的差值。R 1 必須在最小電源電壓和最大負(fù)載電流下計(jì)算，以確保在這種最壞情況下運(yùn)行。以下等式計(jì)算 R 1的值和功耗，以及分流參考中的功耗（圖 3）。

圖 3. 此配置中的分流參考通過(guò)改變其電流 （I mo ） 以產(chǎn)生恒定的 V REF。

R 1 中的電流和功耗 僅取決于電源電壓。負(fù)載電流沒(méi)有影響，因?yàn)橥ㄟ^(guò)負(fù)載和參考的電流之和是恒定的：

選擇參考

現(xiàn)在您已了解串聯(lián)參考和并聯(lián)參考之間的區(qū)別，下一步是確定哪個(gè)更適合您的應(yīng)用。確保獲得合適零件的最佳方法是同時(shí)考慮串聯(lián)和分流類型。在對(duì)每個(gè)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算之后，首選類型應(yīng)該是顯而易見(jiàn)的。以下是一些經(jīng)驗(yàn)法則：

如果您需要優(yōu)于 0.1% 的初始精度和 25ppm 的溫度系數(shù)，您可能應(yīng)該選擇串聯(lián)基準(zhǔn)。

如果您想要最低的工作電流，請(qǐng)考慮使用并聯(lián)基準(zhǔn)。

將分流參考與廣泛變化的電源或負(fù)載結(jié)合使用時(shí)要小心。請(qǐng)務(wù)必計(jì)算預(yù)期功耗，它可能遠(yuǎn)高于等效串聯(lián)基準(zhǔn)的功耗。（見(jiàn)下面的例子。）

對(duì)于高于 40V 的電源電壓，并聯(lián)基準(zhǔn)可能是您的唯一選擇。

在構(gòu)建負(fù)參考、浮動(dòng)參考、限幅電路或限制電路時(shí)，請(qǐng)考慮并聯(lián)參考。

示例 1：低電壓、穩(wěn)定負(fù)載

在這種便攜式應(yīng)用中，最關(guān)鍵的參數(shù)是低功耗。以下是規(guī)格：

因此總功耗為 18.3μW。

該應(yīng)用的首選器件是 MAX6008 并聯(lián)基準(zhǔn)，因?yàn)樗墓臑?18.3μW（而 MAX6029 系列基準(zhǔn)為 21.8μW）。這個(gè)例子說(shuō)明了電源變化對(duì)設(shè)計(jì)的巨大影響。最初看來(lái)，分流基準(zhǔn)具有 1μA 最小工作電流的巨大優(yōu)勢(shì)，但為了保證在最壞情況下的工作，工作電流必須增加到 4.4μA。在這種情況下，任何大于規(guī)定的電源電壓變化（3.0V 至 3.6V）都需要使用串聯(lián)基準(zhǔn)。

示例 2：低電壓、可變負(fù)載

此示例與示例 1 類似，但規(guī)格略有不同。這個(gè)負(fù)載不是穩(wěn)定的 1μA 負(fù)載，而是在 99 毫秒內(nèi)交替消耗 1μA，然后在 1 毫秒內(nèi)消耗 1mA：

如您所見(jiàn)，并聯(lián)基準(zhǔn)的平均功耗比串聯(lián)基準(zhǔn)高 100 倍以上。對(duì)于負(fù)載電流變化很大的應(yīng)用，串聯(lián)基準(zhǔn)通常是更好的選擇。

關(guān)于作者

James Horste 是加利福尼亞州桑尼維爾市 Maxim Integrated Products Inc. 的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。