輕松理解電壓基準(zhǔn)：簡單灌電流

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)際功能框圖開始，如下圖1所示。

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，這種行為是通過巧妙的設(shè)計(jì)而不是簡單的設(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。

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，我們可以大大簡化和定義圖2中所有電流的情況，如公式1所示。

也就是說，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)一步簡化。

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

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；我們將通過在公式5中以VREF和小的擾動(dòng)電壓εv定義vref來解釋這一點(diǎn)。

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。

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。

對(duì)于1.25V電壓基準(zhǔn)，這表示百萬分之四十或40ppm的誤差——也就是說，這種誤差可以安全地視為可以忽略。

現(xiàn)在考慮當(dāng)我們增加輸入電壓以及IBIAS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。

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

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。

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。

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)生簡單的拉電流，如下面的圖3所示。

圖3：簡單電壓基準(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。

圖4：簡單灌電流功能圖

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。

圖5：簡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