從原始 Widlar 的專利中，我們可以推導(dǎo)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 _{BE 0}是絕對溫度T 0的基極-發(fā)射極電壓
• V _{g 0}是半導(dǎo)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(fù) (–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(zhǔn)的溫度系數(shù)表達(dá)式

其中TC ₁代表一階（線性）溫度相關(guān)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(kuò)展溫度范圍（–40°C至 125°C）。

德州儀器 (TI) 的 REF32xx 電壓基準(zhǔn)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(biāo)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(zhǔn)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(shè)備開啟并預(yù)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(biāo)稱值。例如，LM4140 電壓基準(zhǔn)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(shè)備經(jīng)歷的熱沖擊而導(dǎo)致的標(biāo)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(biāo)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(luò)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。

5. 線路調(diào)節(jié)

線路調(diào)節(jié)（圖 6）定義為輸入電壓變化引起的輸出電壓變化。

圖 6：線路調(diào)節(jié)

電源抑制比 (PSRR) 很少可以作為電源電壓噪聲的衡量標(biāo)準(zhǔn)。為低等效串聯(lián)電阻選擇的電容器可以改善 PSRR 參數(shù)。

6. 負(fù)載調(diào)節(jié)

負(fù)載調(diào)整率是由負(fù)載電流變化產(chǎn)生的輸出電壓變化（以百萬分之一為單位）（圖 7）。

圖 7：負(fù)載調(diào)節(jié)

7. 熱滯

熱滯后是由一次或多次熱偏移產(chǎn)生的V _REF值的偏移。熱滯后的原因包括由于溫度偏移、封裝類型、模塑料、芯片連接材料和集成電路布局本身而導(dǎo)致的熱機械感應(yīng)芯片應(yīng)力。

LM4140 的熱滯后為百萬分之 20。

AD580，三端帶隙電壓基準(zhǔn)

Analog Devices AD580（圖 8）是 1974 年推出的基于帶隙的三端電壓基準(zhǔn)，也稱為 Brokaw 單元。

圖 8：AD580

AD580 有兩個 8:1 發(fā)射極縮放晶體管 Q2、Q1，它們在相同的集電極電流下工作。帶隙電壓出現(xiàn)在 Q1 的基極。由于采用了激光修整的 R4 和 R5 電阻器，輸出值可以調(diào)整為不同于標(biāo)準(zhǔn)帶隙參考電壓值（例如 2.5、5 VDC）的電壓值。

來自 Robert J. Widlar 的 LM113

1971 年，Robert J. Widlar 推出了 National Semiconductor 制造的第一個帶隙電壓基準(zhǔn)，并將其命名為 LM113（圖 9）。

圖 9：LM113

溫度補償齊納二極管是最容易使用的電壓基準(zhǔn)。溫度補償齊納二極管可獲得的最低電壓為 6.2 VDC。當(dāng)工作電源電壓為 6 VDC 或更低時，這使得很難獲得零溫度系數(shù)參考。

LM113 是一個 1.2-VDC、溫度補償并聯(lián)穩(wěn)壓二極管。參考是使用晶體管和電阻器而不是嘈雜的擊穿機制合成的。

圖 10 顯示了 –55°C 至 125°C 溫度范圍內(nèi)輸出電壓的典型變化。參考電壓隨溫度變化小于0.5%，溫度系數(shù)與工作電流相對無關(guān)。

圖 10：輸出電壓隨溫度變化

結(jié)論

基于硅帶隙電壓的電壓基準(zhǔn)是各種模擬集成電路的基本模塊。帶隙基準(zhǔn)電壓源具有良好的初始精度、長期穩(wěn)定性和低噪聲操作，可提供高于標(biāo)準(zhǔn) 1.25 VDC 的輸出電壓。

帶隙基準(zhǔn)也用于類似數(shù)字邏輯的發(fā)射極耦合邏輯，以提供不受溫度和環(huán)境噪聲影響的局部偏置電壓。

此外，SPICE 模型通常可用于各種封裝（三端子、DIP 等）中的大多數(shù)集成帶隙基準(zhǔn)。


審核編輯：劉清