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輕松理解電壓基準(zhǔn):簡(jiǎn)單灌電流

電子設(shè)計(jì) ? 來(lái)源:電子設(shè)計(jì) ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2021-12-31 15:14 ? 次閱讀
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正如在此電壓基準(zhǔn)系列中之前文章中所討論的,使用運(yùn)算放大器反饋和電壓基準(zhǔn)可以簡(jiǎn)單直接產(chǎn)生任意大小的直流電流。為此,我們已經(jīng)介紹了幾種外部運(yùn)算放大器架構(gòu),用于實(shí)現(xiàn)單獨(dú)或網(wǎng)絡(luò)拉電流和灌電流。在本系列的最后一篇文章中,我們將討論利用電壓基準(zhǔn)內(nèi)部反饋的架構(gòu)。讓我們從考慮電壓基準(zhǔn)的符號(hào)及其實(shí)際功能框圖開(kāi)始,如下圖1所示。

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圖1:電壓基準(zhǔn)及其功能框圖

我們借用了齊納二極管的符號(hào),因?yàn)檫@基本上是電壓基準(zhǔn)的行為;然而,這種行為是通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)而不是簡(jiǎn)單的設(shè)備物理單獨(dú)實(shí)現(xiàn)??紤]在以前文章中使用的自身基準(zhǔn)(負(fù)極基準(zhǔn)綁定)配置,如下面的圖2所示。

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圖2:電壓基準(zhǔn)典型操作

那么,我們?nèi)绾卧u(píng)價(jià)這一設(shè)置?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。

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也就是說(shuō),IBIAS是雙極結(jié)型晶體管(BJT)的運(yùn)算放大器靜態(tài)電流IQ和發(fā)射極電流iE的和。公式2通過(guò)確認(rèn)與正常工作期間的發(fā)射極電流相比運(yùn)算放大器靜態(tài)電流可以忽略不計(jì),進(jìn)行了進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

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公式3和4定義了發(fā)射極電流,以基極-發(fā)射極結(jié)的二極管方程開(kāi)始,并假定使用標(biāo)稱理想因子的正向偏置操作。

pYYBAGGKXaaACRIEAAAbEHnQknU607.jpg

如上述公式4所示,必須存在一些基極-發(fā)射極電壓以維持IBIAS。這當(dāng)然意味著在圖2中的vref和VREF之間存在非零差;我們將通過(guò)在公式5中以VREF和小的擾動(dòng)電壓εv定義vref來(lái)解釋這一點(diǎn)。

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

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顯然,在理想運(yùn)算放大器情況下,εv會(huì)下降到零;然而,讓我們考慮一些非常保守的值。下面的公式8解出公式7,假設(shè)維持IBIAS所需的vBE為0.5V,運(yùn)算放大器的增益為中等水平104。

pYYBAGGKXayAMjbSAAAPBn3bwOs264.jpg

對(duì)于1.25V電壓基準(zhǔn),這表示百萬(wàn)分之四十或40ppm的誤差——也就是說(shuō),這種誤差可以安全地視為可以忽略。

現(xiàn)在考慮當(dāng)我們?cè)黾虞斎腚妷阂约癐BIAS時(shí),εv發(fā)生什么;具體而言,假設(shè)我們從公式9和10所示的某個(gè)任意操作點(diǎn)將IBIAS增加一倍。

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現(xiàn)在可以通過(guò)將公式10除以公式9并在公式11至13中簡(jiǎn)化如下的項(xiàng)來(lái)導(dǎo)出支持加倍IBIAS所需的VBE的變化。

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最后,我們可以導(dǎo)出如公式14和15所示的支持倍增IBIAS所需εv的變化的公式。

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代入熱電壓的室溫值VT,并假設(shè)(再次)平均運(yùn)算放大器增益為104,我們可以求解方程式15得到倍增IBIAS所需的Δεv的保守值,得到下面的公式16。

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在這種情況下,每當(dāng)IBIAS加倍時(shí),vref處的電壓僅增加1.792μV。這是運(yùn)算放大器增益與模擬齊納擊穿基極-發(fā)射極二極管的指數(shù)IV特性的乘積。

以不同方式連接電壓基準(zhǔn),我們可以利用其內(nèi)部運(yùn)算放大器產(chǎn)生簡(jiǎn)單的拉電流,如下面的圖3所示。

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圖3:簡(jiǎn)單電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生的拉電流

為了直觀的了解這里發(fā)生了什么,我們考慮插入代替符號(hào)的功能圖,如下面的圖4所示。

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圖4:簡(jiǎn)單灌電流功能圖

請(qǐng)注意,VIN、RBIAS和BJT電路基本上充當(dāng)運(yùn)算放大器的反相輸出級(jí)。因此,我們可以將總組合簡(jiǎn)化成具有新增益AT和反向輸入極性的新運(yùn)算放大器符號(hào),如圖5所示。

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圖5:簡(jiǎn)單拉電流功能框圖和等效電路

因此,我們已經(jīng)得到了在本系列第一篇文章中討論的相同的拉電流電路。

在本系列博客中,我們研究了從電壓基準(zhǔn)產(chǎn)生電流基準(zhǔn)的重要主題。第一篇文章討論了精度,任意大小的單獨(dú)拉電流和灌電流(當(dāng)然可以用于實(shí)現(xiàn)偏置網(wǎng)絡(luò));第二和第三篇文章討論了如果精度和組件數(shù)折衷可行,可以通過(guò)使用單個(gè)反饋器件導(dǎo)出偏置網(wǎng)絡(luò)的方法;最后,這篇文章討論了一種大大簡(jiǎn)化的實(shí)現(xiàn)在第一篇文章中討論的灌電流(具體)的方法。 本系列博客中討論的架構(gòu)可以算作對(duì)任何設(shè)計(jì)工具箱的一種方便的補(bǔ)充,而德州儀器有多種電壓基準(zhǔn),可用于實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)。

審核編輯:金巧

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