設(shè)計(jì)齊納二極管穩(wěn)壓器

IC 參考在電路設(shè)計(jì)人員中很受歡迎，因?yàn)樗鼈儨?zhǔn)確且漂移低。我未來(lái)的一些專欄將涵蓋三種類型的 IC 參考：掩埋齊納二極管、帶隙和 XFET。我們使用齊納二極管開發(fā)參考設(shè)計(jì)程序;齊納二極管的簡(jiǎn)單說(shuō)明了設(shè)計(jì)過(guò)程，它的問(wèn)題讓我們欣賞 IC 參考。電路規(guī)格為V CC =30V±10%, 8.445，參考電壓9.555, ΔV REF200 毫伏，100 千歐負(fù)載_200 kΩ 和 0°CTA _80℃。

穩(wěn)壓二極管，英文名稱Zener diode，又叫齊納二極管。利用PN結(jié)反向擊穿狀態(tài)，其電流可在很大范圍內(nèi)變化而電壓基本不變的現(xiàn)象，制成的起穩(wěn)壓作用的二極管。 此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件.在這臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻降低到一個(gè)很小的數(shù)值，在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定，穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來(lái)分檔的，因?yàn)檫@種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來(lái)以便在較高的電壓上使用，通過(guò)串聯(lián)就可獲得更高的穩(wěn)定電壓。

首次嘗試選擇 1N757 9.1V 齊納二極管。請(qǐng)注意，最大溫度系數(shù)為 6 mV/°C，齊納電壓容差為 ±5%。計(jì)算出的參考電壓等于最大規(guī)格，V REF =(1.05)(9.1)=9.555V，但溫度引起的漂移為 ΔV REF =(80–25)(6 mV)=0.330V，因此超過(guò)了最大-漂移電壓規(guī)格。

將信號(hào)二極管與 1N756 8.2V 齊納二極管串聯(lián)，使二極管的負(fù)溫度系數(shù)抵消齊納二極管的部分正溫度系數(shù)。二極管的溫度系數(shù)范圍為 –2.1 至 –2.3 mV/°C，而 8.2V 齊納二極管的溫度系數(shù)為 5.4 mV/°C，因此該組合的最大溫度系數(shù)為 3.3 mV/°C。這種情況下產(chǎn)生的 ΔV REF =181.5 mV 符合規(guī)范，但最小參考電壓 V REF =(0.95)(8.2)+0.5=8.29V 小于規(guī)定的 8.445V 限制。

該分析是不完整的，因?yàn)轭~外的齊納特性，例如齊納阻抗和偏置電流，會(huì)影響 ΔV REF?，F(xiàn)在是時(shí)候放棄純齊納二極管并使用溫度補(bǔ)償齊納二極管了。1N935的齊納電壓為9.075V;5% 的容差;溫度系數(shù)為 2 mV/°C;I Z =7.5 mA時(shí)的齊納阻抗為 20Ω ，其中 I Z 是齊納測(cè)試電流。參考電壓范圍為 8.62

參考電壓9.53?？焖儆?jì)算溫度系數(shù)誤差會(huì)產(chǎn)生 ΔV REF1 =110 mV 的最大電壓變化。到目前為止，一切都很好，但我們需要做進(jìn)一步的計(jì)算才能獲得完整的畫面。

計(jì)算R BIAS 為R BIAS =(V CC –V REF )/I Z =(30–9)/7.5=2885Ω;選擇 R BIAS =2800Ω±2%。由于電源和電阻容差，I Z的變化 范圍為 [(30)(0.9)–9.53–0.11]/2.8(1.02)=6.07 mA為 [(30)(1.1)–8.62–0.05]/2.8(0.98)=8.86 mA。負(fù)載電阻變化會(huì)導(dǎo)致 I Z發(fā)生大約 90 μA 的變化，這是微不足道的。溫度補(bǔ)償齊納電流的這種變化對(duì)應(yīng)于大約 ±5Ω 的齊納阻抗變化，但ΔVREF 變化僅約±37.5 mV。我們還應(yīng)該考慮齊納電壓變化：由于 I Z 偏移，當(dāng) V REF 變化 ±50 mV 時(shí)，齊納工作點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化。此外，請(qǐng)記住，直流電壓包含的最大寬帶半導(dǎo)體噪聲為 20 μV。

最終的參考電壓變化為 110+37.5+50=197.5 mV。有人說(shuō)這種分析不是最嚴(yán)格的，他們是對(duì)的，但它讓我們了解使用齊納參考所涉及的內(nèi)容。如果 V CC 低至 12V，齊納二極管將無(wú)法滿足規(guī)格。負(fù)載電阻變化不會(huì)影響設(shè)計(jì)計(jì)算，因?yàn)?R LOAD 很大。較小的 2kΩ 負(fù)載電阻和 1kΩ 的變化會(huì)導(dǎo)致 I Z發(fā)生很大變化，因此需要使用齊納二極管緩沖器。如果齊納二極管是 IC 的一部分，那么我們可以使用激光微調(diào) R BIAS ，并且添加緩沖器是微不足道的。這種掩埋齊納電壓參考方法似乎是構(gòu)建電壓參考的更好方法。