基準電壓源電路的設計要求

?????? 最基本的電壓基準源電路如圖1(a)、穩壓管的擊穿特性如圖1(b)所示。由圖1(b)可見，不同穩壓值的擊穿特性并不相同，4V以下穩壓管的擊穿特性非常“軟”(動態電阻可高達100Ω以上)，其端電壓隨通過電流的不同、變化很大；而6V以上的特性就非常“硬”、尤以8V左右的特性最硬(動態電阻約4～15Ω)，擊穿電壓越高動態電阻也越大，例如30V穩壓管的動態電阻約為50～100Ω。

???? 環境溫度變化時穩壓管的擊穿特性還會產生漂移。6V以下的穩壓管具有負溫度系數、溫度升高時穩壓值減小。擊穿電壓越低則負溫度系數越大，例如3V穩壓管的溫度系數約為-1.5mV/℃；6V以上為正溫度系數、溫度升高時穩壓值增大，擊穿電壓越高的溫度系數越大，例如30V穩壓管的溫度系數約為33mV/℃；而6V左右穩壓管的溫度系數最小、且在正負之間變化。因而在允許情況下應盡可能選用擊穿特性較硬、溫度系數最小的6V穩壓管。這類穩壓管的另一個缺點是同一型號管子其擊穿電壓的離散性很大，例如2CW1為7～8.5V、2CW5 為11.5～14V，要想挑出合適電壓值的管子是非常困難的。但如果對穩壓值要求不高、電路又比較簡單的場合，選用普通穩壓管還是合適的。
??? 如需要很低的基準電壓，要求不高、而又不希望增加成本時，也可利用二極管的正向特性做為約0.7V的穩壓管使用。筆者曾用圖示儀對大量二極管的正向特性做過觀察，發現穩壓管的正向特性相對其它二極管而言最硬，整流管次之、開關管最差，因此可用穩壓管正向串聯的辦法組成0.7V、1.4V、2.1V等的低壓基準源，還可以通過改變通過電流的辦法微調其端電壓值。其溫度系數約為-2mV/℃左右。
??? 另一類常用的電壓基準是采用半導體集成工藝生產的“基準二極管”和“精密電壓基準”。“基準二極管”是一個雙端單片式器件，其電特性和使用方法等同于穩壓二極管，由于設計時已經考慮了動態電阻和溫度系數問題，因而其性能(尤其是低電壓器件)要比普通穩壓管優越得多。例如LM103基準二極管，擊穿電壓分檔：1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6V；動態電阻典型值：15Ω/0.13mA、5Ω/3mA、比穩壓二極管低約10倍，因而可在比較小的電流(100 uA-1mA)下得到較穩定的基準電壓。
??? 另一類較常用的基準二極管如LM385-1.2、LM385-2.5、LM336-2.5、LM336-5具有更小的動態電阻(如LM385 僅1Ω、LM336-5僅0.6Ω、LM336-2.5僅0.2Ω)，在很小的工作電流下即有很硬的特性、在10 uA電流下即可正常工作，而普通穩壓管至少要在5～10mA下才能正常工作(嚴格講并非不能工作，而是工作電流小時其擊穿特性非常軟、電流的微小變化即可引起端電壓的明顯變化)；溫度系數低，典型值僅20ppm/℃、約25uV/℃，比普通穩壓管低百倍以上；工作電壓分別為1.235V、2.5V、5V且工作電壓的離散性很小、僅1-2％，一般情況下具有互換性；價格也不貴，因而得到廣泛使用。
??? 在要求穩定性極高的應用場合、可以考慮選用自恒溫電壓基準LM199/299/399系列，其穩定電壓典型值為6.95V、動態電阻典型值0.5Ω、LM199/299溫度系數<1ppm/℃。LM399溫度系數<2ppm。其最大的優點是溫度系數極小，可以說是幾乎不受環境溫度的影響。這是因為在其基片上除集成了一個能隙式電壓基準外。還另外制造了一個加熱、控溫電路，工作時需單獨對加熱電路供電、即可自動將芯片加熱并控溫在90℃ ，因此只要環境溫度的變化在85℃以下、可以認為芯片的環境溫度沒有變化．自然不會產生溫度漂移。為保證恒溫效果．在其金屬殼外另加了一個由保溫材料聚砜制造的隔熱外殼．其管腳排列如圖2所示．典型應用電路如圖3所示。
?

?
??? 使用LM399時應注意的是，因其溫度系數是有保證的．決定基準電壓精度的主要矛盾轉移到動態電阻上。在要求基準精度極高時．為基準芯片供電的工作電流必須恒定。如果如圖3所示，基準芯片工作電流是由電源通過電阻提供，則要求供電電源必須恒定。筆者在研制高精度控溫設備時發現，僅由普通三端穩壓器如LM7809等次穩壓供電的電源．在市電波動較大時其穩定度是不夠的。相關實驗數據如附表所示：

??? 由附表測試數據可見，市電±10％波動時、因7809輸出電壓仍有約86mV的變化，致使LM399基準芯片的工作電流亦產生微小變化。由于LM339的動態電阻并不為零，市電±10%的波動已造成基準電壓約78 uV的變化。在高精度控制系統中．基準電壓幾個uV的變化就可能使系統精度超差。因此，在要求高穩定度的應用場合，最好對LM399的供電電源進行二次穩壓，電路如圖4所示。