齐纳二极管调整器设计

齐纳二极管调整器设计

作者：Ron Mancini -- EDN

IC参考很受电路设计者的欢迎，因为它们不仅精确而且飘移很小。在我今后的一些专栏文章中，将陆续讨论三种IC参考：埋入式齐纳二极管、带隙及XFET。当您用齐纳二极管进行参考设计时，由于齐纳二极管相对较简单，因此可用它来演示设计过程，而使用中的问题会让您庆幸有IC参考。电路指标为：V_CC=30V±10%、8.445 V_REF 9.555、ΔV_REF 200 mV、100 kΩ R_LOAD 200 kΩ及0°C T_A 80°C。

第一次试用可选择一个9.1V的1N757齐纳二极管。请注意，最大温度系数为6 mV/°C，齐纳二极管电压容差为±5%。计算出的参考电压等于最大指标：V_REF=(1.05)(9.1)=9.555V，但温飘为ΔV_REF=(80-25)(6 mV)=0.330V，超过了最大温飘电压指标。


将一个信号二极管与一个1N756 8.2V齐纳二极管串联，这样信号二极管的负温度系数即可部分抵消齐纳二极管的正温度系数（图1）。二极管的温度系数为 -2.1至-2.3 mV/°C，而8.2V齐纳二极管的温度系数则为5.4 mV/°C，因此组合最大温度系数为3.3 mV/°C。在这种情况下，ΔV_REF=181.5 mV，满足指标，但最小参考电压V_REF=(0.95)(8.2)+0.5=8.29V，小于规定的8.445V极限值。

由于其他齐纳特征（例如齐纳阻抗及偏置电流等）会影响ΔV_REF，因此此分析并不完整。现在不应该再使用一个纯粹的齐纳二极管，而是应该使用一个温度补偿齐纳二极管。1N935拥有9.075V的齐纳电压与5%的容差以及2 mV/°C的温度系数；而I_Z=7.5 mA时的齐纳阻抗为20Ω，其中I_Z为齐纳测试电流。电压参考为8.62 V_REF 9.53。快速计算一下温度系数的误差可得到电压变化的最大值ΔV_REF1=110 mV。到目前为止，参数都很不错，但您需要进行进一步的计算以获得完整的图象。

计算R_BIAS，得R_BIAS=(V_CC-V_REF)/I_Z=(30-9)/7.5=2885Ω，取R_BIAS=2800Ω±2%。（图1中的温度补偿齐纳管包括了二极管。）由于存在电源和电阻公差，因此I_Z的变化范围从[(30)(0.9)-9.53-0.11]/2.8(1.02)=6.07 mA到 [(30)(1.1)-8.62-0.05]/2.8(0.98)=8.86 mA。负载电阻的改变使I_Z变化大约90 μA，可忽略不计。温度补偿齐纳管的电流改变对应于大约±5Ω的齐纳阻抗变化（参考文献1），但ΔV_REF只变化了大约 ±37.5 mV。您还应该考虑齐纳电压的变化。由于I_Z的漂移，当ΔVREF变化 ±50 mV时，齐纳管的工作点发生了变化。此外，还需记住，直流电压所包含的最大宽带半导体噪声为20 μV。

最终得到电压参考变化为110+37.5+50=197.5 mV。有人会认为这种分析不够严密，的确如此，但这种分析可让您对齐纳参考的使用有一些了解。如果VCC低至12V，则齐纳二极管就不能满足指标。R_LOAD较大时，负载阻抗变化不会影响设计计算。而小一点的2kΩ负载阻抗，变化1 kΩ时即会导致IZ的巨大变化，这就需要使用一个齐纳二极管缓冲器。如果齐纳二极管为电路的一部分，则您可以用激光来对R_LOAD进行调整，这样就没有必要增加缓冲器。这种埋入式齐纳二极管电压参考方法似乎是一种建立电压参考的较好方法。