在电子电路设计中，基准电压源是至关重要的元件。虽然它只是双端或 3 端器件，但要选择合适的基准电压源并正确应用，其难度比我们初设想的要大得多。“精度” 一词常被用于描述基准电压源，然而随意使用该词存在较大风险，因为不同人对其理解各异。而且，在一种应用中表现不佳的基准电压源，在另一种应用中可能表现出色。本应用笔记将深入解读基准电压源的 “精度”，并提供充分发挥其性能的相关技巧。
　　如今的 IC 基准电压源技术主要分为两类：带隙基准电压源，其原理是使正偏二极管结的温度系数和V_BE的温度系数达到平衡（详见附录 B）；以及埋入式齐纳二极管（详见附录 A），它利用表面下击穿实现出色的长期稳定性和低噪声特性。除少数情况外，这两种基准电压源都会使用额外的片内电路，以进一步降低温度漂移并将输出电压调节到设定值。带隙基准电压源常用于精度高达 12 位的系统中，而埋入式齐纳二极管则更适用于对精度要求更高的系统。
　　在电路和系统中，仅在不考虑精度时，单片基准电压源才会受到分立齐纳二极管和 3 端稳压器的竞争。常见的 5% 齐纳二极管和 3% 稳压器，其精度仅相当于 4 位或 5 位。在实验室标准方面，只有饱和韦斯顿电池和约瑟夫森阵列的性能能够超越单片基准电压源，因此单片基准电压源基本可适用于各类电路和系统应用。
　　基准电压源的精度包含多个电气规格参数，电路设计人员常关注的是 “初始精度”。它用于测量输出电压误差，通常以百分比或伏特表示。初始精度在室温（25°C）、固定输入电压和零负载电流（对于分流基准电压源，则是固定偏置电流）的条件下进行指定。
　　在一些不方便或无法进行校准的系统中，严格的初始精度是一个关键问题。但在大多数情况下，精度并非首要考虑因素，因为可以对成品进行终调整，以消除所有系统误差的总和。通过终调整可显著节省成本，这样就无需系统中的每个基准电压源、DAC、ADC、放大器和传感器都具备严格的初始精度。
　　单片基准电压源的初始精度范围为 0.02% 至 1%，对应 6 位至 12 位系统中的 1LSB 误差。韦斯顿电池和约瑟夫森阵列的初始精度更高，分别为 1ppm 至 10ppm 和 0.02ppm（在 25 位系统中，0.02ppm 小于 1LSB 误差）。
　　由温度引起的基准输出电压变化，会使严格的初始精度规格变得意义不大。因此，人们进行了大量工作以降低基准电压源的温度系数（tempco）。大多数基准电压源的温度系数可保证在 2ppm/°C 至 40ppm/°C 的范围内，仅有少数器件超出此范围。例如，正确应用的 LTZ1000 温度稳定基准电压源，其温度系数可低至 0.05ppm/°C。

　　温度系数以 ppm/°C 或 mV/°C 为单位，定义为工作温度范围内的平均值，通过所谓的 “黑盒” 法进行计算。图 2 展示了如何定义并计算黑盒法温度系数：对相关基准电压源（如 LT1019 带隙基准电压源）在指定工作温度范围内进行测试，将和记录输出电压代入公式，得到以 V/°C 表示的平均温度系数，再进一步处理得到 ppm/°C 值，如数据手册所示。需要注意的是，温度系数是工作范围内的平均值，而非在任何特定点测量的增量斜率。对于 LT1021 和 LT1236，还可保证 25°C 时的增量斜率。

　　数据手册中的温度系数可用于直接计算整个工作温度范围内的输出电压允许误差。例如，在 0°C 至 70°C 范围内，温度系数为 10ppm/°C 的器件，其输出电压可能从初始值漂移 700ppm（在 12 位系统中约为 3 个计数）。一个具有 700ppm 温度系数误差的 0.1% 基准电压源，在整个工作温度范围内可保证 0.17% 的精度。不过，LT1004 和 LT1034 是例外，它们仅保证整个工作温度范围内的输出电压精度。LT1009 和 LT1029 则采用 “蝴蝶结” 或 “蝴蝶” 法结合两种方式（具体说明可参考 LT1009 数据手册）。
　　基本形式的带隙基准电压源或埋入式齐纳二极管本身并不具备低漂移特性。通过使用特殊的片内电路，可以改善基准电压源内核的温度系数。例如，在埋入式齐纳二极管上添加一个 P - N 结二极管，可对其进行一阶温度补偿。齐纳二极管本身的温度系数为 + 2mV/°C，而二极管为–2mV/°C，将二者串联组合，可抵消 7V 输出中约 0.2mV/°C（≈30ppm/°C）的漂移，这与饱和韦斯顿电池的温度系数（–40μV/°C 或–39ppm/°C）较为接近。韦斯顿电池通常置于恒温槽中，而对于单片埋入式齐纳二极管基准电压源，可通过在输出中小心添加 V_BE和 / 或?V_BE分数项，进一步进行温度补偿。带隙和埋入式齐纳二极管产品在制造后还会进行调整，以进一步降低成品基准电压源的温度系数。
　　长期稳定性也是影响基准电压源精度的一个重要因素。基准电压源的输出通常会随时间朝一个方向变化，且这种变化呈对数式，即随着时间推移，输出变化逐渐减小。长期稳定性的单位为 ppm/√kh（kh = 1000 小时），反映了输出随时间变化的对数递减特性。由于输出的长期变化较小且发生时间长达数月甚至数年，因此难以设计出经济可行的生产测试来保证所有基准电压源的真正稳定性。通常，需要将几十个单元置于 25°C 到 30°C 的温度控制室中老化 1000 小时或更长时间，来对该参数进行表征。需注意，测试过程中温度必须保持恒定，通过高温加速寿命试验并运用数学方法推算出的长期稳定性数据，可能会得出乐观但错误的室温结果。
　　当需要给出可靠的长期稳定性指标时，可采用 4 周老化测试，期间多次测量输出电压。即便采用这种复杂且昂贵的程序，给出的可靠极限值仍可能是典型漂移的三到四倍左右。
　　除非产品设计为需要定期校准或对性能要求相对较低，否则长期稳定性可能是基准电压源性能的一个关键指标。对于校准周期较长的产品，必须确保其在长时间内保持高精度，因此需要使用具有良好长期稳定性的基准电压源。埋入式齐纳二极管的长期稳定性高于 20ppm/√kh，带隙基准电压源为 20ppm 至 50ppm/√kh。部分漂移源于基准电压源周围的调整和补偿电路，而 LTZ1000 无需调整和补偿开销，采用片内加热器，其齐纳 / 二极管在运行的年会漂移 0.5ppm/√kh，接近韦斯顿电池的稳定性。
　　LTC 基准电压源数据手册中所示的大多数长期稳定性数据适用于采用金属罐封装的器件，这类器件的装配和封装应力极低。相同的基准电压源采用塑料封装时，其性能会稍有降低。
　　输出电压的短期变化，即噪声，也是影响精度的因素之一。基准电压源的噪声通常在两个频率范围内进行表征：0.1Hz 至 10Hz（短期）的峰峰值漂移，以及 10Hz 至 1kHz（总 “宽带” 有效值噪声）。噪声电压通常与输出电压成正比，因此对于任何给定基准电压源的所有电压选项，以 ppm 表示的输出噪声是恒定的。带隙基准电压源的宽带噪声范围为 4ppm 至 16ppm RMS，埋入式齐纳二极管的宽带噪声范围为 0.17ppm 至 0.5ppm RMS。无论哪种类型的基准电压源，增加基准电流都能改善噪声特性，但由于基准工作电流是在内部设置的，因此通常只能通过外部滤波来改变噪声特性（如 LT1027 有一个滤噪引脚）。LT1034 和 LTZ1000 埋入式齐纳二极管可从外部操作，允许用户增加偏置电流以减少噪声。
　　添加输出旁路或外部补偿会影响基准电压源噪声的特性。特别是在补偿达到 “峰值” 的情况下，散粒噪声可能会在 100Hz 到 10kHz 范围内的某个位置上升到峰值，而临界阻尼可消除此噪声峰值。
　　基准电压源的噪声可能会影响高分辨率系统的动态范围，掩盖微弱信号，低频噪声还会使输出电压的测量变得复杂。现代高精度数字电压表可提供多个读数的平均值，有助于滤除低频噪声影响，从而获得基准电压源真正输出电压的稳定读数。
　　基本特性
　　基准电压源主要分为两类：分流型，功能与齐纳二极管等效；串联型，与 3 端稳压器相似。带隙和埋入式齐纳二极管均可采用这两种配置（如图 3 所示）。有些串联基准电压源设计可将输出引脚偏置并使输入引脚保持开路状态，从而实现分流模式工作。串联模式基准电压源的优点是仅从输入电源中消耗负载和静态电流，而分流基准电压源必须使用超出静态电流和期望负载电流之和的电流进行偏置。由于采用电阻偏置，分流基准电压源可以在极宽的输入电压范围内工作。

　　大约一半的 LTC 基准电压源产品包含用于外部（客户）调整的引脚。有些设计用于调整基准输出，有些则具有较宽的调整范围，允许将输出电压在预定工作点的基础上进行几个百分点的上下调整。
　　在需要处理负载电流阶跃的情况下，瞬态响应非常重要。不同基准电压源的瞬态响应差异较大，主要包含三个特性：导通特性、高频下的小信号输出阻抗、快速瞬态负载时的稳定建立行为。几乎所有基准电压源都包含一个用于缓冲和 / 或调整输出的放大器，因此具有这些特性。
　　例如，LT1009 针对快速启动特性进行了优化，建立时间略超过 1μs（如图 4 所示）。对于某些基准电压源，可通过外部补偿网络获得建立行为特性。如图 5 所示，2μF/2Ω 阻尼器可优化 LT1019 基准电压源的建立行为特性和高频输出阻抗。使用 LT1027 可获得快建立时间，在 2μs 内达到 13 位精度，图 6 的波形图清晰展示了其从 10mA 负载阶跃恢复的输出情况。

　　基准电压源的陷阱
　　基准电压源看似使用简单，但要实现其性能并非易事。以下是一些基准电压源用户常见的问题及应对方法。
　　高耗电负载
　　大多数基准电压源规定的负载电流（或分流）为 10mA 至 20mA。然而，以电流运行基准电压源并不能获得性能，因为多种因素（如裸片上的温度梯度以及导线和外部电路连接之间形成的热电偶）可能会限制输出电压的短期稳定性。如图 7 所示，添加一个外部调整管可去除基准电压源上的负载电流。对于大于 300μA 的负载，调整管几乎承载所有电流，从而消除短期热漂移。此电路也适用于需要超过 20mA 电流的应用，且在晶体管 β 和损耗允许的范围内，可轻松支持高达 100mA 的电流。

　　“NC” 引脚
　　如果基准电压源只需要两三个外部连接，为何采用 8 引脚封装？原因众多，这里仅介绍封装后调整这一原因。为保证严格的输出允许误差，器件封装后通常需要进行一些工厂调整。采用封装形式后，无法直接操作裸片，因此在 8 引脚封装上使用额外引脚来实现封装后调整。
　　对于某些 IC，“NC” 表示 “此引脚浮空，可按需挂起”。但对于基准电压源，“NC” 意味着 “不要连接任何东西到此引脚”，包括 ESD 和电路板泄漏以及有意连接。在的情况下，外部连接会导致输出电压偏移；坏的情况下，会使输出电压偏移超出规格范围。
　　对于具有可调输出的基准电压源上的 TRIM 引脚，同样需要谨慎对待。TRIM 引脚类似于放大器的求和节点，除非需要调整输出，否则不要向其注入电流。电路板泄漏或到噪声源的容性耦合都可能导致问题，需要避免。
　　电路板泄漏

　　基准电压源技术领域出现了新问题：由水溶性助焊剂残余物引起的电路板泄漏，其效果类似于电解电容器破裂渗出的粘稠汁液。导电助焊剂残留物会从地面、供电轨和其他电路电位泄漏到 NC、trim 和其他敏感引脚，导致输出电压偏移。即使泄漏路径未使基准电压源偏移超出规格范围，外部泄漏也会表现为长期输出电压漂移，因为随着相对湿度的变化和外部污染物的扩散，助焊剂残余物的电阻会发生变化。因此，必须从电路板和封装表面清除水溶性助焊剂残余物，或完全避免残留。例如，作者曾观察到 LT1009 偏移超出规格范围，trim 引脚和附近供电线路之间的总漏电路径约为 80kΩ，原因是水溶性助焊剂导致的泄漏。

　　图 8 显示了一个性能优良的基准电压源如何因微小泄漏而变差。假设工业控制板包含一个 LT1027A，为各种数据采集电路产生 5V 电压，附近走线电压为 24V。仅仅 147MΩ 泄漏到滤噪引脚（NR）就会导致典型器件漂移达到 + 200ppm，从而超出规格范围。显然，24V 电路走线不应靠近 0.02% 基准电压源。此例虽然简化，但清晰展示了潜在问题。
　　对于紧凑型电路板，可能不得不聚合不兼容走线。此时，可使用保护环来消除基准电压源偏移情况（如图 9 所示）。将基准电压源的输出分压至 4.4V，等于 NR 引脚上的电位，并用于偏置保护 NR 与噪声滤波电容器之间连线的保护环。这可将电路板泄漏路径的影响降低两个数量级以上，将偏离的泄漏从保护走线中分流。

　　调整引起的温度漂移

　　大约一半的 LTC 基准电压源产品包含用于外部（客户）调整的引脚。校准系统可能需要进行调整，但调整也可能对基准电压源的温度系数产生不利影响。例如，在 LT1019 带隙基准电压源中，外部调整电阻与内部电阻的温度系数不匹配，这种不匹配会导致输出电压温度系数在坏情况下出现微小（1ppm/°C）偏移，如数据手册所述。LT1021 - 5 和 LT1236 - 5 标准调整电路可进行修改（如图 10 所示），以防止扰乱基准电压源固有的低温度系数。调整 LT1027 对输出电压温度系数影响较小，无需特别考虑。