串聯型或并聯型電壓基準的選擇策略

引言

本文描述了電壓基準芯片的主要類型(串聯型或并聯型)，以及各自的優、缺點。在對可以利用的器件進行比較之前，首先要確定哪種類型最適合。

串聯型電壓基準

串聯型電壓基準具有三個端子：Vin、Vout和GND，類似于線性穩壓器，但其輸出電流較低、具有非常高的精度。串聯型電壓基準從結構上看與負載串聯(見圖1)，可以當作一個位于Vin和Vout端之間的壓控電阻。通過調整其內部電阻，使Vin值與內部電阻的壓降之差(等于Vout端的基準電壓)保持穩定。因為電流是產生壓降所必需的，因此器件需汲取少量的靜態電流以確保空載時的穩壓。串聯型電壓基準具有以下特點：

電源電壓(Vcc)必須足夠高，保證在內部電阻上產生足夠的壓降，但電壓過高時會損壞器件。

器件及其封裝必須能夠耗散串聯

調整管的功率。

空載時，唯一一的功耗是電壓基準的靜態電流。

相對于并聯型電壓基準，串聯型電壓基準通常具有更好的初始誤差和溫度系數。

串聯型基準設計

串聯型電壓基準的設計相當簡便，只需確保輸入電壓和功耗在芯片規定的最大值以內：

P_SER=(Vsup Vref)IL+(Vsup xIq)。

對于串聯型電壓基準，最大功耗出現在輸入電壓最高、負載最重的情況下：

WC＿P＿SER=(Vmax Vref)lLmax+(VmaxxIq)，此處

P＿SER=串聯型基準的功耗

Vsup＝電源電壓

Vref＝基準電壓輸出

IL＝負載電流

Iq＝電壓基準的靜態電流

WC＿P＿SER＝最大功耗

Vmax＝最大電源電壓

ILmax＝最大負載電流

并聯型電壓基準

ＴｉｍｅＱｕｅｓｔ時序分析儀為ＦＰＧＡ設計分析提供分析提供自然的ＳＤＣ支持

并聯型電壓基準有兩個端子：OUT和GND。它在原理上和穩壓二極管很相似，但具有更好的穩壓特性，類似于穩壓二極管，它需要外部電阻并且和與負載并聯工作(見圖2)。并聯型電壓基準可以當作一個連接在OUT和GND之間的壓控電流源，通過調整內部電流，使電源電壓與電阻Rl的壓降之差(等于OUT端的基準電壓)保持穩定。換一種說法，并聯型電壓基準通過使負載電流與流過電壓基準的電流之和保持不變，來維持OUT端電壓的恒定。并聯型基準具有以下特點：

選擇適當的Rl保證符合功率要求，并聯型電壓基準對最高電源電壓沒有限制。

電源提供的最大電流與負載無關，流經負載和基準的電源電流需在電阻Rl上產生適當的壓降，以保持OUT電壓恒定。

作為簡單的2端器件，并聯型電壓基準可配置成一些新穎的電路，例如負電壓穩壓器、浮地穩壓器、削波電路以及限幅電路。

相對于串聯型電壓基準，并聯型電壓基準通常具有更低的工作電流。

并聯型基準設計

并聯型電壓基準的設計稍微有些難度，必須計算外部電阻值。該數值(Rl)需要保證由電壓基準和負載電流產生的壓降等于電源電壓與基準電壓的差值。采用最低輸入電源電壓和最大負載電流計算Rl，以確保電路能在最壞情況下正常工作。下列等式用于計算Rl的數值和功耗，以及并聯型電壓基準的功耗(見圖3)。

Rl=(Vmin Vref)／(Imo+ILmax)

Rl上的電流和功耗僅與電源電壓有關，負載電流對此沒有影響，因為負載電流與電壓基準的電流之和為固定值：

I_Rl=(Vsup Vref)／Rl

P_R1=(Vsup Vref)2／Rl

P_SHNT=Vref(I_Rl IL)

最差工作條件發生在輸入電壓最大、輸出空載時：

WC_I_Rl=(Vmax Vref)／Rl

WC_P_R1=(Vmax Vref)2／Rl

WC_P_SHNT=Vref(Imo+WC_I_Rl)，或

WC_P_SHNT＝Vref(Imo+(Vmax

Vref)／R1)，此處

Rl=外部電阻

I_Rl=Rl的電流

P_Rl=Rl的功耗

P_SHNT=電壓基準的功耗

Vmin=最低電源電壓

Vmax=最高電源電壓

Vref=基準輸出

Imo=電壓基準最小工作電流

ILmax=最大負載電流

WC_I_Rl=最差情況下Rl的電流

WC_P_Rl=最差情況下Rl的功耗

WC_P_SHNT=最差情況下并聯電壓基準的功耗

選擇電壓基準

理解了串聯型和并聯型電壓基準的差異，即可根據具體應用選擇最合適的器件。在具體計算兩種類型的參數后，即可確定器件類型，這里提供一些經驗方法：

如果需要高于0．1％的初始精度和25ppm的溫度系數，一般應該選擇串聯型電壓基準。

如果要求獲得最低的工作電流，則選擇并聯型電壓基準。

并聯型電壓基準在較寬電源電壓或大動態負載條件下使用時必須倍加小心。請務必計算耗散功率的期望值，它可能大大高于具有相同性能的串聯型電壓基準。

對于電源電壓高于40V的應用，并聯型電壓基準可能是唯一的選擇。

構建負電壓穩壓器、浮地穩壓器、削波電路或限幅電路時，一般考慮并聯型電壓基準。