【电路“芯”说】如何获得一个高精度的参考基准源

最早接触到“基准芯片”这个词，是在大学实验室的那会，记得当时同学A需要给3.3V的ADC提供一个2.5V的参考电压，那会指导的老师还特地提到了一句一定要用基准电压芯片来获取这个2.5V的参考电压。当时年少轻狂的同学A还轻蔑地和我说：“不就一个2.5V电压吗，直接用5V的电压通过两个电阻分压不就可以了吗，撑死加个电容即可，何必这么费劲去找一个芯片来完成这个功能呢？”。于是想到就做到，结果可想而知，同学A做出的这个板子由于ADC参考电压的波动，根本就没法正常使用。电阻分压网络获得的电压基于上面所讲述的问题，其实如果你需要一个2.5V的电压的话，理论上来说通过两个电阻分压是完全可以得到的，并且有些时候我们还经常这么做，比如在我们设计一个比较器的时候，通常阈值的比较电压就是通过电阻分压电路得到的。

比如上面电路图里面，只要电阻R1和R2取相等值时，Vref的电压值就是2.5V，它是有R1和R2这两个电阻对电源电压5V分压而得到的。这种比较器电路一般仅仅是用于一些模拟电压的判断，比如当某个模拟电压输出的传感器超过某个阈值时，比较器就会输出相应的状态。但这种场合往往是对模拟电压的精度不是很高，因此使用1%精度的电阻就可以满足应用要求。电阻的温度曲线尽管1%电阻可以满足绝大多数的应用，但是有两种情况的时候，使用这种方案就会出现问题，满足不了要求。第一种情况是需要得到一个精度很高的电压源，比如我们需要一个2.5V电压值，精度为0.5%时，由于系统的电源电压本身有波动，外加1%的电阻精度，这样的情况下获得一个精度为0.5%左右的电压源基本是不可能的。第二种情况是我们设计的电路会工作在一个温度很高的环境下，或者系统环境温度会随着电路工作而逐渐升温，如开关电源，电源电路板整个温度会随着电源功率的上升而逐渐升温，电机控制器也是，这些功率系统随着工作负载以及工作时间的变化，时时刻刻都会让电路板上的元器件工作在一个温度比较高的环境下。

对于电阻来说，其工作温度是会会影响其电阻温度的，而半导体器件由于载流子的流动速度受热影响更严重，所以温度对其影响更大。

由上图可以看出来，精度为1%的电阻在其环境温度高于70℃的时候，基本上它的负载就会有明显的降低了，注意这条曲线只是指出了电阻的负载随温度的变化，并没有明确地指明其电阻值。但是我们可以想一下，在电压一定的情况下，通过“R=U^2 / P”可以得知功率越小，其电阻值就越大。另外，有些电阻可能和这条曲线相反，这些是由电阻的材质决定的。我们这个曲线是一个金属膜电阻的曲线，金属之所以可以导电是因为其内部有自由运动的电子(无规则)。金属中的除自由电子外的原子是也在其位置附近振动,这种振动的剧烈程度与金属的温度有关,温度越高，振动就越强。同时，自由电子与原子间碰撞的几率越大，对电子的定向运动也就越有阻碍，即电阻的增加。另外，非金属物质（部分半导体）温度越高电阻越小。原因是当温度上升时，其内部电子运动加剧（但不会来回振动），进而可以运载电荷。基准电压原理为了解决这个比较难搞的温度影响问题，人们想出了很多办法来解决这个问题，最常用和成本最低的办法即是使用基准电压芯片。基准电压芯片是一种具有高精度的，具有良好温漂特性的电源芯片。基准电压芯片内部的实现关键就是如何来获得一个可以抵消掉温度影响的电压。为了解决这个方案，市面上的基准电压芯片一般分为两种：带隙电压基准和稳压管电压基准。稳压管电压基准好理解，即用一个次表面击穿的稳压管和一个PN结串联，由于稳压管具有正温度系数，而PB结是负温度系数的，因此它们两个正好可以相互抵消，从而实现温度补偿。而次表面击穿除了可以稳压以外，还有利于降低噪声对其影响。一般稳压管电压基准的基准电压可以做到7V左右。

带隙电压基准即为带隙基准（Bandgap voltage reference），它是使用一个具有正温度系数的VT（热电势）和一个具有负温度系数的PN结相并联，利用两个不同温度系数的器件来抵消温度的影响，从而实现与温度无关的电压基准。这个带隙电压基准可以产生一个1.25V左右的参考电压。这里注意带隙电压基准其实准确地说应该为“带隙基准”。因为1.25V和硅的带隙电压差不多，因而称为带隙基准。实际上利用的不是带隙电压。有些Bandgap结构输出电压与带隙电压也不一致。由此我们可以看出，稳压管基准可以获得比带隙基准范围宽得更多的参考电压值。因此稳压管基准的基准电压芯片用的更加广泛。基准电压芯片目前市面上的基准电压芯片可以说是琳琅满目，国产的，国外的都有，型号更是多得数不胜数。要说用的最多的莫过于TL431了。TL431是可控精密稳压源芯片，它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值，其产生的参考电压精度可以达到0.5%，并且其还具有非常优秀的温度特性，被广泛地使用在开关电源，仪表仪器等众多领域。

虽然TL431可以利用电阻的分压让其产生可调的基准电压值。

但是由于电阻本身具有不同的精度和温度系数，因此在一些温度较高的应用中，我们需要避免对其引入电阻，如果不使用电阻时，TL431可以得到一个2.5V的参考源。