在高精度模擬和混合信號(hào)系統(tǒng)中，基準(zhǔn)電壓源是確保整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的核心元件。相較于傳統(tǒng)的齊納二極管基準(zhǔn)，帶隙基準(zhǔn)電壓源憑借其低電源裕量、寬輸出電壓范圍及優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，成為現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)中的主流選擇。帶隙基準(zhǔn)電壓源代理商-中芯巨能將從工作原理、關(guān)鍵參數(shù)到典型應(yīng)用，全面解析帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)與使用。

一、基本原理與結(jié)構(gòu)

帶隙基準(zhǔn)電壓源的核心思想是利用雙極型晶體管（BJT）的基極-發(fā)射極電壓（VBE）隨溫度變化的負(fù)溫度系數(shù)特性，與兩個(gè)不同電流密度下產(chǎn)生的?VBE（正溫度系數(shù)）相結(jié)合，通過適當(dāng)比例疊加，使最終輸出電壓在寬溫度范圍內(nèi)保持恒定。

圖1.設(shè)計(jì)帶隙電路提供理論上為零的溫度系數(shù)

如圖1所示，以LT1004為例，該電路包含一對(duì)不匹配的雙極晶體管Q10和Q11，其中Q10的發(fā)射極面積為Q11的10倍。當(dāng)兩者的集電極電流相等時(shí)，兩者基極之間的電壓差?VBE可表示為：

$$\mathrm{\Delta }{V}_{BE}=\frac{kT}{q}?\ln ?(10)$$ΔVBE=qkT?ln(10)

其中：

$k$k：玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10?23 J/K）

$T$T：絕對(duì)溫度（K）

$q$q：電子電荷（1.6×10?1? C）

在25°C時(shí)，該值約為60 mV，并具有+0.2 mV/°C的正溫度系數(shù)。將此電壓施加于一個(gè)固定電阻（例如50kΩ），即可產(chǎn)生一個(gè)與溫度成正比的電流。隨后，該電流用于偏置另一個(gè)二極管連接的晶體管Q14，其VBE具有–2.2 mV/°C的負(fù)溫度系數(shù)。通過合理設(shè)置電阻分壓比，可以使得兩種溫度效應(yīng)相互抵消，從而獲得理論溫度漂移為零的基準(zhǔn)電壓——通常約為1.235 V。

二、性能指標(biāo)與選型指南

現(xiàn)代帶隙基準(zhǔn)電壓源已實(shí)現(xiàn)高度集成化和多樣化，工程師可根據(jù)以下關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行選型：

ADI公司提供的多款帶隙基準(zhǔn)電壓源涵蓋了多種應(yīng)用場(chǎng)景：

高精度型：如LTC6652（溫度漂移<2ppm/°C，噪聲僅2ppm峰峰值）

低功耗型：如LT1389（靜態(tài)電流僅800nA）

小尺寸型：如LT6660（2mm×2mm DFN封裝）

通用型：如LT1460（SOT23封裝，低成本、高性能）

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三、典型應(yīng)用與設(shè)計(jì)建議

1. ADC/DAC參考電壓源
   在高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中，穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓直接影響系統(tǒng)的線性度和精度。推薦使用LTC6652或LT1790等超低漂移型號(hào)。

2. 電壓監(jiān)控電路
   結(jié)合比較器使用，如LT6700內(nèi)置400mV基準(zhǔn)，可用于低電壓檢測(cè)，適合便攜式設(shè)備電源管理。

3. 傳感器接口電路
   在精密測(cè)量系統(tǒng)中，帶隙基準(zhǔn)提供穩(wěn)定的偏置點(diǎn)，減少環(huán)境溫度變化帶來的誤差。

4. 校準(zhǔn)與測(cè)試設(shè)備
   對(duì)于需要長(zhǎng)期穩(wěn)定性的儀器儀表，建議選用具有出廠校準(zhǔn)功能的高精度基準(zhǔn)源。

四、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

• 電源裕量要求低：多數(shù)帶隙基準(zhǔn)可在電源電壓接近基準(zhǔn)電壓時(shí)仍正常工作（如僅需100mV裕量）

• 注意負(fù)載調(diào)整率：避免因負(fù)載突變引起輸出波動(dòng)，必要時(shí)增加緩沖放大器

• 去耦電容配置：在VREF引腳附近放置0.1μF陶瓷電容，降低高頻噪聲影響

• PCB布線優(yōu)化：遠(yuǎn)離噪聲源，采用獨(dú)立地平面，防止熱漂移干擾

五、總結(jié)

帶隙基準(zhǔn)電壓源以其出色的溫度穩(wěn)定性、廣泛的輸出電壓選擇和靈活的封裝形式，在現(xiàn)代精密電子系統(tǒng)中扮演著不可或缺的角色。對(duì)于工程師而言，理解其工作原理并根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的器件，不僅能提升系統(tǒng)性能，還能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程、縮短開發(fā)周期。隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，新一代帶隙基準(zhǔn)在噪聲、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和功耗方面持續(xù)優(yōu)化，正逐步縮小與齊納基準(zhǔn)的差距，成為高性價(jià)比、高性能的理想選擇。