了解參考電壓：簡(jiǎn)單的電流吸收器

在使用運(yùn)算放大器反饋和電壓參考生成任意幅度的直流電流是一個(gè)簡(jiǎn)單而直接的過(guò)程。到目前為止，我們已經(jīng)討論了幾種外部運(yùn)算放大器架構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)電流源和接收器的單個(gè)或網(wǎng)絡(luò)。在本系列的最后一部分中，我們將介紹一種利用電壓參考本身內(nèi)部反饋的架構(gòu)。讓我們首先考慮電壓基準(zhǔn)的符號(hào)及其實(shí)際功能框圖，如下面的圖 1 所示。

圖 1：參考電壓及其功能框圖

我們借用了齊納二極管的符號(hào)，因?yàn)檫@基本上是電壓參考的行為方式；然而，這種行為是通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，而不僅僅是簡(jiǎn)單的設(shè)備物理?？紤]在以前的帖子中使用并在下面的圖 2 中顯示的自參考（陰極參考綁定）配置。

圖 2：參考電壓典型操作

那么，對(duì)于這個(gè)設(shè)置，我們能說(shuō)什么呢？首先，我們可以大大簡(jiǎn)化和定義圖 2 中所有電流的情況，如公式 1 所示。

也就是說(shuō)，I BIAS是運(yùn)算放大器靜態(tài)電流 I Q和雙極結(jié)型晶體管 (BJT)的發(fā)射極電流 i E的總和。公式 2 進(jìn)一步簡(jiǎn)化了這一點(diǎn)，因?yàn)樗姓J(rèn)與正常工作期間的發(fā)射極電流相比，運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流可以忽略不計(jì)。

方程 3 和 4 定義了發(fā)射極電流，從基極-發(fā)射極結(jié)的二極管方程開(kāi)始，并假設(shè)具有標(biāo)稱理想因子的正向偏置操作。

如上面的等式4所示，必須存在一些基極-發(fā)射極電壓以維持I BIAS。這當(dāng)然意味著圖2中的v ref和V REF之間存在非零差異；我們將通過(guò)根據(jù) V REF和小擾動(dòng)電壓 ε v在等式 5 中定義 v ref來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。

我們現(xiàn)在可以根據(jù)基極-發(fā)射極電壓和運(yùn)算放大器增益定義 ε v，如公式 6 和 7 所示。

在理想的運(yùn)算放大器情況下，顯然 ε v下降到零；但是，讓我們考慮一些非常保守的值。假設(shè)維持I BIAS所需的v BE是0.5V 并且運(yùn)算放大器的增益是中等的10 4 ，下面的公式8 解決了公式7 。

對(duì)于 1.25V 電壓基準(zhǔn)，這代表大約千分之四的誤差或 40ppm——也就是說(shuō)，這種誤差可以安全地視為可以忽略不計(jì)。 

現(xiàn)在考慮當(dāng)我們?cè)黾虞斎腚妷簳r(shí)ε v會(huì)發(fā)生什么，因此 I BIAS；具體來(lái)說(shuō)，假設(shè)我們從某個(gè)任意操作點(diǎn)將I BIAS加倍，如等式 9 和 10 所示。

現(xiàn)在可以通過(guò)將公式 10 除以公式 9 并簡(jiǎn)化公式 11 到 13 中的項(xiàng)來(lái)導(dǎo)出支持加倍 I BIAS所需的V BE變化。

最后，我們可以推導(dǎo)出支持雙倍 I BIAS所需的ε v變化的方程，如方程 14 和 15 所示。  

代入熱電壓的室溫值 V T，并假設(shè)（再次）運(yùn)算放大器增益為 10 4 ，我們可以求解公式 15 以獲得加倍 I BIAS所需的保守值 Δε v，從而得到下面的公式 16。

在這種情況下，每次 I BIAS加倍時(shí)，v ref處的電壓僅增加 1.792μV。正是這種運(yùn)算放大器增益與模擬齊納擊穿行為的基極-發(fā)射極二極管的指數(shù) IV 特性相乘。

以不同的方式連接參考電壓，我們可以利用其內(nèi)部運(yùn)算放大器來(lái)生成一個(gè)簡(jiǎn)單的電流吸收器，如下面的圖 3 所示。

圖 3：簡(jiǎn)單的參考電壓導(dǎo)出電流吸收器

為了形象化這里發(fā)生的事情，請(qǐng)考慮插入功能圖來(lái)代替符號(hào)，如下面的圖 4 所示。

圖 4：簡(jiǎn)單的電流吸收功能圖

請(qǐng)注意，V IN、R BIAS和 BJT 電路實(shí)質(zhì)上充當(dāng)運(yùn)算放大器的反相輸出級(jí)。因此，我們可以將整個(gè)組合折疊為具有新增益 A T和反向輸入極性的新運(yùn)算放大器符號(hào)，如下圖 5 所示。

圖 5：簡(jiǎn)單的電流吸收功能圖和等效電路

因此，我們得到了本系列第一篇文章中討論的相同電流吸收電路。

在本系列中，我們研究了從電壓參考生成電流參考的重要主題。所述第一柱蓋精度，單個(gè)源和任意大小的水槽（其可以，當(dāng)然，被用于實(shí)現(xiàn)偏置網(wǎng)絡(luò)）; 所述第二和第三帖子討論了一種方法，如果精度和組件數(shù)量的權(quán)衡可行，則可以通過(guò)該方法使用單個(gè)反饋設(shè)備導(dǎo)出偏置網(wǎng)絡(luò)。