产生稳定电压的基准电压元件

 　基准电压元件是低输出功率的线性稳压电源，它提供一个固定的（或恒定的）电压，而与器件负载、电源变动、温度变化以及时间无关。基准电压元件遍布于电源稳压器、数据采集系统、ADC、DAC，以及其它各种测量与控制系统中。虽然基准电压元件无处不在，但性能却有很大不同。例如，一款用于计算机电源的稳压器可能要将其值稳定在标称值附近的几个百分点以内，而实验室基准电压元器件的精度与稳定性要以百万分之一计。

　　几十年前的基准电压元器件提供的初始精度只有±10%，而现代的基准电压IC可以提供100 ppm（即0.01%）的初始精度。Analog Devices公司应用工程经理Reza Moghimi指出："我们试图要让器件对线路、负载和温度的变动不敏感，以用于工业、科研与医疗市场中高要求的任务。"这些市场中的专业公司也可以很容易地进入对精度要求很严格军用市场与汽车市场。

　　稳压芯片亦有串联与并联之分（图1与参考文献1）。串联稳压器有两只分别用于输入电源与地的管脚；第三只管脚输出一个固定的或可调的电压。双端并联稳压器工作在一个限流的固定电压下。实际上每个稳压器采用的都是并联架构，因为一个串联基准电压元件也不过是一个并联基准电压元件加上一个电流馈送电路和一个缓冲输出。

　　在电子业的早期，工程师们是采用霓虹辉光管作基准电压元件（图2）。霓虹辉光管是一个有两只导电端子的玻璃容器，其中填充了稀薄的惰性气体（具有类似特性的化学元素）。在标准情况下，惰性气体都是无嗅、无色的单原子气体，化学活性低。自然界存在的六种惰性气体是：氦、氖、氩、氪、氙和氡。当在这些气体上施加66V?200V的直流电压时，它们会被电离。一旦发生了离子击穿，则辉光管两侧的电压就降至直流48V?80V的维持电压。如果跨辉光管的电压跌至低于这个维持电压，灯就会熄灭，必须再次为其施加离子击穿电压，使之发光（图3）。一只霓虹辉光管工作时通过的电流低至10A?12A，或1 pA。1996年，Signalite做出了可以在±0.5V内稳压的辉光管（参考文献2）。

　　不过到了20世纪70年代，齐纳二极管（为并联式基准电压元件）取代了这些冷阴极辉光管（图4）。齐纳二极管的名称源于研究者Clarence Zener，他发现了这个效应（参考文献3）。虽然一些工程师将齐纳二极管看作雪崩二极管，但这两种二极管的物理原理并不相同（参考文献4、5、6）。齐纳击穿源于通过一个PN结产生量子力学隧道效应的电荷载流子。这种击穿出现在重掺杂的节点。PN结上的大电场加速电荷载流子，使之形成雪崩击穿。这些高速载流子造成碰撞电离，随之又造成了电荷载流子的倍增。这种效应出现在轻掺杂的PN结。齐纳二极管制造商通过改变PN结的掺杂，利用这两种效应制造出不同击穿电压的二极管。在电压高至5.6V时，齐纳效应在二极管中占主导地位，而更高电压下的主导则是雪崩效应。两种效应在温度系数方面也有差别：齐纳器件为负击穿，而雪崩器件为正击穿。在5.6V时击穿的器件同时包含有两种效应，并且由于正、负温度系数互相抵消，而有小的温度系数。

　　随着IC在上世纪70年代的普及，并联基准电压元件的集成成为关键。Burr Brown、Analog Devices以及美国国家半导体这类公司都采用了在自己IC中置入齐纳二极管的方案（图5）。IC工艺的进步使得在芯片的表层下制造器件成为可能。与置入JFET一样，置入的齐纳二极管并不触及芯片的表面缺陷，意味着这些二极管有低的工作噪声水平。

　　1971年，美国的一名线性模拟IC设计的先驱，电子工程师Bob Widlar采用了一种基于带隙电压效应的基准电压元件，这种效应由飞兆半导体公司已故工程师DF Hilbiber于1964年发现。带隙基准元件天生固有1.2V输出电压，近似于硅在0°K时的带隙电压（图6）。要使用其它输出电压的器件只需要用内部增益电路，增加或减少电压。模拟IC设计师Bob Pease改进了Widlar的设计，帮助美国国家半导体公司的IC设计师在很多芯片中采用了带隙电路（参考文献7）。Pease评论道："在80年代，我们推出的40%?60%带隙（电压效应基准）都有旧的失谐误差。很多此类误差都与IC布局有关，我们通过良好的设计审核，解决了这些问题。"

　　1974年，Paul Brokaw（现在是Integrated Device Technology公司的高级技术专家）设计了一款带隙基准电压元件，它采用反馈方法提高精度和减少误差（图7）。Brokaw说："我在试制一款分立式电源时构造出了它，我希望使用一个较低的基准电压，而不是一只6.8V的齐纳二极管。"

除了置入式齐纳管与带隙型基准电压元件以外，还有一类基于J