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轻松点话题---电压基准!

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 楼主 | 2020-3-28 12:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-28 16:41 编辑

学习理论,尤其是半导体理论,比较抽象难懂,没有兴趣的话,会比较头疼。

理论学完之后的实践,相对来说是轻松活泼的,用这个话题娱乐一下。


大多数电压基准,都是以IC的形式出现的,有多种额定电压、封装形式和指标,可供挑选。

依据其工作原理,电压基准大致可以分为两大类:一是基于齐纳二极管,另一个是基于带隙基准的。对于模拟IC设计人员,几乎所有人都要掌握带隙基准的设计,而前一种基准是工艺相关的,和CMOS工艺不太兼容,所以成本较高。

带隙基准一般是1.2V左右,所以主打低压基准!!当然了,通过使用比例缩放方法,可以有2.5V、5V,甚至10V带隙!!!

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升高基准电压的方法:

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此图仅仅是结构示意图,具体元件取值看基准电压和电源电压等参数。
上图中R3的作用是为基准(例如齐纳二极管组合)提供启动电流,基准电压建立起来以后,R2中的电流等于U2上的输出电压减去D3上电压,所以电压是定值,所以R2中的电流正常工作时是固定的,不随负载和电源电压V2而变化。



而基于温度补偿的齐纳二极管,一般主打高压,尤其是5V以上的电压范围。


单单就离散器件齐纳二极管而言,电压范围极宽,低至1.8V左右,高至200V:


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典型精度是10%,温度系数也较差。而且电压低于6V左右时,阻抗特别高:



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一般模电教科书上都会介绍两种工作机理的齐纳二极管:雪崩击穿和齐纳击穿。
对于低电流值,齐纳效应为主,为负温度系数;对于高电流值,雪崩效应为主,为正温度系数。



关于带隙基准的工作原理,几乎所有的模拟IC设计教材都会介绍,我们以前也发帖说过,此处略。

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 楼主 | 2020-3-28 17:38 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-28 17:54 编辑

基于带隙和基于齐纳二极管的两大阵营产品


最近10来年,国内论坛上炒作的火热的LTZ1000,略微不太热的AD580,就是主要代表。


这两款基准,所使用的技术非常古老,离子注入型齐纳管是上个世纪70年代的技术。
最初的齐纳管,击穿是发生在硅-二氧化硅交界面处的,受工艺影响,有长期漂移的缺点。所以后来改进成让击穿发生在亚表面,甚至是深度的掩埋层中,来解决长期温漂的问题。
但是只要还使用扩散结,击穿电压的精度就差,进而难以温度补偿。
为解决上面两个问题,提出了离子注入型亚表面(掩埋层)击穿的齐纳管,不但长期稳定性好、噪声低,电压精度也高。




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上图是亚表面的齐纳二极管制造,和双极性工艺相兼容。在N型外延层上做p扩散和n+扩散,以及P离子注入,让击穿不在发生在表面,而是亚表面。

这种器件稳定性特别好,在125℃下工作100小时,电压偏移优于1mV

最简单的补偿是齐纳管串导通的正偏二极管,而在集成电路内,管子不值钱,可以多用一些做精密补偿:

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上图中Q3和Q9上并联的电阻是启动电阻,电路既有负反馈,也有正反馈,0点也是工作点之一,要避开这个工作点。


大二模电教材上介绍过电流镜,电流镜和运放一样,它能逼迫两点电压相等。
据此可知,R3上的电压和VO相同,所以电流I1=VO/R3,因为VO是稳定的齐纳管上电压,所以I1也相当稳定,基本于电源VCC无关!

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根据上图,易知输出电压Vo的表达式为:

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上式中,Vz是齐纳管上电压,如果假设R2的温度系数忽略,上面又已经分析出I1特稳定,那么如果Vz是正温度系数,于是I2也是正温度系数,根据上面电压表达式,就有可能得到零温度系数的电压基准!!

那么如何让I2是正温度系数呢?
教科书上会说,产生正温度系数电压,方法求是VBE之差,要想让VBE不同,必须让两个管子的发射极面积不同,即S12要大于S11
VBE之差正比于热电压VT=KT/q,所以是正温度系数。



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 楼主 | 2020-3-28 18:03 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-28 18:10 编辑


齐纳二极管阵营的绝招,除了使用掩埋或亚表面离子注入技术,另一个技术是温度稳定技术。

以LM119为例:


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这种方法是利用芯片的热容特别小的特性,在芯片上布置个“炉子”,保持芯片恒温,近似于环境温度无关。

模电中常见的是电压负反馈,这里是热负反馈而已,基本上是一回事:



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如上图所示,待温度稳定的电路上有个检温器(一般是利用PN结的温度特性),然后控制加热器(功率管),功率管传递温度到待稳电路和检温器,判断加热器要不要加热或者加热功率。


最简单的电路实现为:


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这个电路工作原理不想讲了,直接截取DC-DC芯片中的温度检测工作原理算了,原理大同小异:


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 楼主 | 2020-3-28 18:25 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-3-28 18:36 编辑


以某款5.0000V基准为例,概括一下这类芯片的工作原理。

原理框图为:

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图中Z2是掩埋型齐纳管,N54是温度补偿二极管,N28是温度稳定功率管,R01和R02是分压电路,A3是输出缓冲器。

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