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[图文]基准电压源设计及选用           ★★★ 【字体:
基准电压源设计及选用
作者:imefan    文章来源:张国华    点击数:    更新时间:2009-4-8    

  基准电压是许多控制或应用电路所必需的,而且电路的控制精度或性能指标在很大程度上取决于基准电压的好坏。对基准电压的基本要求是:在电源电压和环境温度变化时其电压值应保持恒定不变。
  通常我们选用稳压二极管作为基准电压源,这是最简单、也是最传统的方法,按照所需电压值选一个对应型号的稳压管当然可以,但选得是否合适、是否最佳,却大有讲究。
  最基本的电压基准源电路如图1(a)、稳压管的击穿特性如图1(b)所示。由图1(b)可见,不同稳压值的击穿特性并不相同,4V以下稳压管的击穿特性非常“软”(动态电阻可高达100Ω以上),其端电压随通过电流的不同、变化很大;而6V以上的特性就非常“硬”、尤以8V左右的特性最硬(动态电阻约4~15Ω),击穿电压越高动态电阻也越大,例如30V稳压管的动态电阻约为50~100Ω。
 
  环境温度变化时稳压管的击穿特性还会产生漂移。6V以下的稳压管具有负温度系数、温度升高时稳压值减小。击穿电压越低则负温度系数越大,例如3V稳压管的温度系数约为-1.5mV/℃;6V以上为正温度系数、温度升高时稳压值增大,击穿电压越高的温度系数越大,例如30V稳压管的温度系数约为33mV/℃;而6V左右稳压管的温度系数最小、且在正负之间变化。因而在允许情况下应尽可能选用击穿特性较硬、温度系数最小的6V稳压管。这类稳压管的另一个缺点是同一型号管子其击穿电压的离散性很大,例如2CW1为7~8.5V、2CW5 为11.5~14V,要想挑出合适电压值的管子是非常困难的。但如果对稳压值要求不高、电路又比较简单的场合,选用普通稳压管还是合适的。
  如需要很低的基准电压,要求不高、而又不希望增加成本时,也可利用二极管的正向特性做为约0.7V的稳压管使用。笔者曾用图示仪对大量二极管的正向特性做过观察,发现稳压管的正向特性相对其它二极管而言最硬,整流管次之、开关管最差,因此可用稳压管正向串联的办法组成0.7V、1.4V、2.1V等的低压基准源,还可以通过改变通过电流的办法微调其端电压值。其温度系数约为-2mV/℃左右。
  另一类常用的电压基准是采用半导体集成工艺生产的“基准二极管”和“精密电压基准”。“基准二极管”是一个双端单片式器件,其电特性和使用方法等同于稳压二极管,由于设计时已经考虑了动态电阻和温度系数问题,因而其性能(尤其是低电压器件)要比普通稳压管优越得多。例如LM103基准二极管,击穿电压分档: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;动态电阻典型值:15Ω/0.13mA、5Ω/3mA、比稳压二极管低约10倍,因而可在比较小的电流(100 uA-1mA)下得到较稳定的基准电压。
  另一类较常用的基准二极管如LM385-1.2、LM385-2.5、LM336-2.5、LM336-5具有更小的动态电阻(如LM385 仅1Ω、LM336-5仅0.6Ω、LM336-2.5仅0.2Ω),在很小的工作电流下即有很硬的特性、在10 uA电流下即可正常工作,而普通稳压管至少要在5~10mA下才能正常工作(严格讲并非不能工作,而是工作电流小时其击穿特性非常软、电流的微小变化即可引起端电压的明显变化);温度系数低,典型值仅20ppm/℃、约25uV/℃,比普通稳压管低百倍以上;工作电压分别为1.235V、2.5V、5V且工作电压的离散性很小、仅1-2%,一般情况下具有互换性;价格也不贵,因而得到广泛使用。
  在要求稳定性极高的应用场合、可以考虑选用自恒温电压基准LM199/299/399系列,其稳定电压典型值为6.95V、动态电阻典型值0.5Ω、LM199/299温度系数<1ppm/℃。LM399温度系数<2ppm。其最大的优点是温度系数极小,可以说是几乎不受环境温度的影响。这是因为在其基片上除集成了一个能隙式电压基准外。还另外制造了一个加热、控温电路,工作时需单独对加热电路供电、即可自动将芯片加热并控温在90℃ ,因此只要环境温度的变化在85℃以下、可以认为芯片的环境温度没有变化.自然不会产生温度漂移。为保证恒温效果.在其金属壳外另加了一个由保温材料聚砜制造的隔热外壳.其管脚排列如图2所示.典型应用电路如图3所示。
 
 
  使用LM399时应注意的是,因其温度系数是有保证的.决定基准电压精度的主要矛盾转移到动态电阻上。在要求基准精度极高时.为基准芯片供电的工作电流必须恒定。如果如图3所示,基准芯片工作电流是由电源通过电阻提供,则要求供电电源必须恒定。笔者在研制高精度控温设备时发现,仅由普通三端稳压器如LM7809等次稳压供电的电源.在市电波动较大时其稳定度是不够的。相关实验数据如附表所示:
市电 200V 220V 240V
整流滤波直流电压 11.2V 12.7V 14.05V
7809输出电压 9.0229V 9.070V 9.109V
LM399输出电压 6.86361V 6.86315V 6.86283V

  由附表测试数据可见,市电±10%波动时、因7809输出电压仍有约86mV的变化,致使LM399基准芯片的工作电流亦产生微小变化。由于LM339的动态电阻并不为零,市电±10%的波动已造成基准电压约78 uV的变化。在高精度控制系统中.基准电压几个uV的变化就可能使系统精度超差。因此,在要求高稳定度的应用场合,最好对LM399的供电电源进行二次稳压,电路如图4所示。

文章录入:imefan    责任编辑:ImEfan 
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