LM385：微功耗帶隙基準(zhǔn)電壓源的基石

在電子世界中，精確的電壓基準(zhǔn)是許多電路正常工作的核心。從模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）到電源管理單元，再到各種測(cè)量和控制系統(tǒng)，一個(gè)穩(wěn)定、準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓源是不可或缺的。在眾多基準(zhǔn)電壓源中，LM385系列以其獨(dú)特的微功耗特性和卓越的性能脫穎而出，成為工程師們廣泛信賴的選擇。本節(jié)將深入探討LM385的定義、核心概念、工作原理、關(guān)鍵特性、應(yīng)用領(lǐng)域以及一些在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素，旨在為讀者提供一個(gè)全面而深入的理解。

LM385不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的元件，它代表了一種精巧的模擬電路設(shè)計(jì)哲學(xué)——在保證高精度的同時(shí)，盡可能地降低功耗。這種平衡在電池供電、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備以及其他對(duì)能效有嚴(yán)格要求的應(yīng)用中顯得尤為重要。理解LM385，不僅僅是了解一個(gè)芯片的引腳和參數(shù)，更是理解其背后所蘊(yùn)含的模擬電路設(shè)計(jì)智慧。

LM385的定義與核心概念

LM385是一款由國(guó)家半導(dǎo)體（National Semiconductor，現(xiàn)已被德州儀器收購(gòu)）公司推出的微功耗帶隙基準(zhǔn)電壓源（Micropower Bandgap Voltage Reference）。它的主要功能是提供一個(gè)非常穩(wěn)定和精確的參考電壓，而其自身消耗的電流卻極低，通常在微安（μA）級(jí)別。

1. 基準(zhǔn)電壓源（Voltage Reference）：基準(zhǔn)電壓源是電路中用于提供一個(gè)固定、穩(wěn)定、獨(dú)立于溫度和電源電壓變化的電壓的器件。它在電路中扮演著“標(biāo)準(zhǔn)尺”的角色，確保其他電路塊，特別是那些依賴精確電壓的電路（如ADC、DAC、比較器等），能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行其功能。理想的基準(zhǔn)電壓源應(yīng)具備以下特性：

• 高精度： 輸出電壓盡可能接近標(biāo)稱值。

• 低溫度漂移： 輸出電壓隨溫度變化的幅度極小。

• 高穩(wěn)定性： 輸出電壓不受電源電壓波動(dòng)、負(fù)載變化或時(shí)間推移的影響。

• 低噪聲： 輸出電壓中的隨機(jī)波動(dòng)盡可能小。

• 低功耗： 自身消耗的電能少。

2. 帶隙（Bandgap）：“帶隙”是LM385核心技術(shù)的基礎(chǔ)。帶隙基準(zhǔn)電壓源利用半導(dǎo)體PN結(jié)正向電壓的負(fù)溫度系數(shù)特性和電阻器電流的零溫度系數(shù)特性進(jìn)行精確補(bǔ)償，從而產(chǎn)生一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓。具體來(lái)說(shuō)，它巧妙地結(jié)合了兩個(gè)具有不同溫度系數(shù)的電壓：一個(gè)具有正溫度系數(shù)的電壓（通常由兩個(gè)不同電流密度的BJT的VBE差產(chǎn)生），和一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓（如PN結(jié)的正向壓降VBE）。通過(guò)精確地加權(quán)和求和這兩個(gè)電壓，可以在某個(gè)溫度點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)，從而在較寬的溫度范圍內(nèi)保持輸出電壓的穩(wěn)定。這個(gè)“帶隙”電壓的典型值約為1.2V到1.25V，與硅的帶隙能量（約1.205V在0K）密切相關(guān)，因此得名。LM385系列提供了多種輸出電壓選擇，如1.2V、2.5V、5.0V等，但其內(nèi)部核心生成的基礎(chǔ)帶隙電壓通常在1.2V左右，并通過(guò)內(nèi)部電路進(jìn)行分壓或放大以得到其他標(biāo)稱電壓。

3. 微功耗（Micropower）：“微功耗”是LM385系列最顯著的特點(diǎn)之一。這意味著器件在工作時(shí)消耗的電流非常小，通常只有幾十微安甚至幾微安。這對(duì)于電池供電設(shè)備、便攜式儀器、遠(yuǎn)程傳感器以及其他對(duì)電源效率有嚴(yán)格要求的應(yīng)用至關(guān)重要。通過(guò)降低功耗，可以顯著延長(zhǎng)電池壽命，減少發(fā)熱，并降低系統(tǒng)的整體能耗。LM385通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部電路設(shè)計(jì)，例如采用低偏置電流的放大器和精密的電流鏡，實(shí)現(xiàn)了極低的靜態(tài)電流消耗。

LM385的工作原理

LM385的核心是一個(gè)帶隙基準(zhǔn)電路。雖然具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)可能因型號(hào)而異，但其基本原理是相同的：通過(guò)組合具有相反溫度系數(shù)的電壓來(lái)創(chuàng)建一個(gè)溫度不敏感的電壓。

帶隙基準(zhǔn)電壓源的基本思想：我們知道，一個(gè)二極管或晶體管的基射電壓VBE具有負(fù)溫度系數(shù)，即當(dāng)溫度升高時(shí)，VBE會(huì)下降。這種下降大約是2mV/°C。另一方面，如果能找到一個(gè)具有正溫度系數(shù)的電壓，并通過(guò)恰當(dāng)?shù)谋壤龑烧呦嗉樱敲丛谀硞€(gè)溫度點(diǎn)，這兩個(gè)溫度系數(shù)可以相互抵消，從而產(chǎn)生一個(gè)零溫度系數(shù)的電壓。

LM385內(nèi)部通常采用兩個(gè)不同的PN結(jié)（通常是BJT的基射結(jié)），它們工作在不同的電流密度下。假設(shè)有兩個(gè)晶體管Q1和Q2，它們的集電極電流分別為IC1和IC2，且IC1=IC2。它們基射電壓的差值ΔVBE可以表示為：ΔVBE=VBE1?VBE2=VTln(IS1IC1)?VTln(IS2IC2)如果假定IS1=IS2（相同晶體管），那么：ΔVBE=VTln(IC2IC1)其中，VT=kT/q是熱電壓，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，q是電子電荷。 從這個(gè)公式可以看出，ΔVBE與T成正比，因此它具有正溫度系數(shù)。

現(xiàn)在我們有了兩個(gè)電壓：

1. VBE： 具有負(fù)溫度系數(shù)。

2. ΔVBE： 具有正溫度系數(shù)（或PTAT電壓，Proportional To Absolute Temperature）。

帶隙基準(zhǔn)電路通過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)，將PTAT電壓（ΔVBE）進(jìn)行放大，然后將其與一個(gè)PN結(jié)的VBE電壓相加。具體來(lái)說(shuō)，輸出基準(zhǔn)電壓VREF可以表示為：VREF=VBE+K?ΔVBE其中K是一個(gè)比例常數(shù)，由內(nèi)部電阻比率決定。通過(guò)精確選擇K的值，可以使VBE的負(fù)溫度系數(shù)和K?ΔVBE的正溫度系數(shù)在寬泛的溫度范圍內(nèi)相互抵消，從而產(chǎn)生一個(gè)非常穩(wěn)定的、近乎零溫度系數(shù)的輸出電壓。

LM385內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)通常會(huì)包括一個(gè)精密運(yùn)算放大器、多個(gè)雙極性晶體管和薄膜電阻，它們被設(shè)計(jì)成一個(gè)緊湊的集成電路。其自偏置電路能夠確保在極低的供電電流下也能正常啟動(dòng)和工作，這是其“微功耗”特性的重要保障。

LM385的關(guān)鍵特性

LM385作為一款優(yōu)秀的基準(zhǔn)電壓源，具備一系列引人注目的關(guān)鍵特性，這些特性使其在各種應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

1. 低功耗（Low Power Consumption）：這是LM385最核心的特性之一。LM385-1.2V的典型工作電流可以低至10μA，而LM385-2.5V和LM385-5.0V的典型工作電流也僅為20μA左右。這種極低的電流消耗對(duì)于電池供電的便攜設(shè)備、遙感設(shè)備以及其他對(duì)能效要求嚴(yán)苛的系統(tǒng)至關(guān)重要，能夠顯著延長(zhǎng)電池使用壽命。

2. 寬輸入電壓范圍（Wide Input Voltage Range）：LM385可以在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作，通常輸入電壓可以從輸出電壓加上最小工作壓降（幾百毫伏）一直到高達(dá)30V或更高（具體取決于型號(hào)）。這意味著它可以直接從各種電源軌供電，無(wú)需額外的穩(wěn)壓電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。例如，對(duì)于LM385-2.5V，其最小工作電壓可能只需要2.5V加上約20μA電流流過(guò)負(fù)載和內(nèi)部電阻引起的壓降，通常約為2.5V到3.0V即可正常工作。

3. 卓越的溫度穩(wěn)定性（Excellent Temperature Stability）：LM385通過(guò)其精密的帶隙設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了極低的溫度系數(shù)。例如，LM385A（更高級(jí)別）的溫度系數(shù)可以低至50ppm/°C或更低，這意味著在1°C的溫度變化下，輸出電壓的變化僅為百萬(wàn)分之五十。這種出色的溫度穩(wěn)定性確保了在環(huán)境溫度波動(dòng)較大的情況下，基準(zhǔn)電壓依然能夠保持高度精確。

4. 良好的初始精度（Good Initial Accuracy）：LM385在出廠時(shí)就經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的校準(zhǔn)，確保其輸出電壓具有較高的初始精度。例如，LM385A-2.5V的初始精度通常可以達(dá)到±1%甚至更好，這對(duì)于許多不需要額外校準(zhǔn)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常方便。

5. 低輸出噪聲（Low Output Noise）：高質(zhì)量的基準(zhǔn)電壓源應(yīng)具有較低的輸出噪聲，以避免對(duì)敏感模擬電路造成干擾。LM385經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其輸出噪聲電壓較低，能夠提供一個(gè)相對(duì)“干凈”的參考電壓。

6. 負(fù)載調(diào)整率（Load Regulation）：負(fù)載調(diào)整率描述了當(dāng)輸出負(fù)載電流變化時(shí)，基準(zhǔn)電壓源保持其輸出電壓穩(wěn)定的能力。LM385通常具有良好的負(fù)載調(diào)整率，即在一定負(fù)載范圍內(nèi)，輸出電壓變化很小。

7. 線性調(diào)整率（Line Regulation）：線性調(diào)整率描述了當(dāng)輸入電源電壓變化時(shí)，基準(zhǔn)電壓源保持其輸出電壓穩(wěn)定的能力。LM385也具有優(yōu)秀的線性調(diào)整率，這使得它能夠有效抑制電源電壓波動(dòng)對(duì)輸出基準(zhǔn)電壓的影響。

8. 多種輸出電壓選項(xiàng)（Multiple Output Voltage Options）：LM385系列提供了多種標(biāo)稱輸出電壓，常見(jiàn)的有1.2V、2.5V和5.0V。這使得設(shè)計(jì)者可以根據(jù)具體應(yīng)用的需求選擇最合適的基準(zhǔn)電壓。

9. 小型封裝（Small Package）：LM385通常采用小型的TO-92、SOT-23或SOIC等封裝形式，這有助于節(jié)省PCB空間，尤其適用于緊湊型電子產(chǎn)品。

LM385的應(yīng)用領(lǐng)域

憑借其獨(dú)特的微功耗和高精度特性，LM385在廣泛的電子應(yīng)用中扮演著關(guān)鍵角色。

1. 便攜式和電池供電設(shè)備：這是LM385最典型的應(yīng)用場(chǎng)景。由于其極低的功耗，LM385是為電池供電的便攜式設(shè)備（如手持儀表、血糖儀、遠(yuǎn)程傳感器、智能手表、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)等）提供穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓的理想選擇。它能顯著延長(zhǎng)電池壽命，減少更換電池的頻率。

2. 精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）：ADC和DAC的轉(zhuǎn)換精度直接取決于其參考電壓的穩(wěn)定性。LM385提供了一個(gè)高精度、低漂移的基準(zhǔn)電壓，確保了ADC和DAC能夠?qū)崿F(xiàn)其標(biāo)稱的轉(zhuǎn)換分辨率和線性度。例如，在需要高精度測(cè)量的數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)中，LM385可以作為ADC的參考電壓。

3. 精密穩(wěn)壓器和電源管理：LM385可以作為精密線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)電源的反饋控制環(huán)路中的參考電壓。通過(guò)將其輸出連接到誤差放大器的參考輸入端，可以實(shí)現(xiàn)高精度、低噪聲的電源輸出。在低功耗電源模塊中，LM385也能發(fā)揮重要作用。

4. 模擬儀表和傳感器接口電路：在各種模擬儀表（如電壓表、電流表、溫度計(jì)）中，LM385可以提供穩(wěn)定的校準(zhǔn)電壓。對(duì)于傳感器接口電路，如壓力傳感器、溫度傳感器或氣體傳感器等，LM385可以提供一個(gè)穩(wěn)定的激勵(lì)電壓或參考電壓，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5. 電池電壓監(jiān)控器和充電器：在電池管理系統(tǒng)中，LM385可以作為精確的參考電壓，用于電池電壓的比較和監(jiān)測(cè)，以確定電池的充電狀態(tài)或低電量閾值。它也可以用于電池充電器中的恒壓充電階段。

6. 可編程邏輯控制器（PLC）和工業(yè)自動(dòng)化：在工業(yè)環(huán)境中，對(duì)測(cè)量精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性有很高要求。LM385可以用于PLC中的模擬輸入/輸出模塊，為傳感器信號(hào)調(diào)理和控制回路提供穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn)。

7. 消費(fèi)電子產(chǎn)品：在一些對(duì)電池續(xù)航時(shí)間要求較高的消費(fèi)電子產(chǎn)品中，如智能家居設(shè)備、個(gè)人健康監(jiān)測(cè)設(shè)備等，LM385也能找到其用武之地，為內(nèi)部的測(cè)量和控制電路提供穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)。

8. 通信系統(tǒng)：在無(wú)線通信模塊或基站中，可能會(huì)用到LM385為射頻（RF）電路中的混頻器、壓控振蕩器（VCO）等提供穩(wěn)定的偏置電壓或參考電壓，以確保信號(hào)質(zhì)量和頻率穩(wěn)定。

LM385的設(shè)計(jì)考量與使用技巧

雖然LM385易于使用，但在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，仍有一些重要的考量和技巧可以幫助您最大化其性能并避免潛在問(wèn)題。

1. 輸入電壓和功耗：LM385需要一個(gè)最小的正向偏置電流才能正常工作。這個(gè)電流通常通過(guò)一個(gè)限流電阻串聯(lián)在LM385的陽(yáng)極和電源之間來(lái)提供。該電阻的計(jì)算是關(guān)鍵：RSERIES=IBIASVIN?VOUT其中，VIN是輸入電源電壓，VOUT是LM385的標(biāo)稱輸出電壓（例如1.2V或2.5V），IBIAS是LM385的最小偏置電流（通常在數(shù)據(jù)手冊(cè)中查找）。IBIAS應(yīng)略大于最小推薦工作電流，以確保啟動(dòng)和穩(wěn)定。選擇IBIAS過(guò)大會(huì)增加功耗，而過(guò)小可能導(dǎo)致基準(zhǔn)不穩(wěn)定或無(wú)法啟動(dòng)。

2. 旁路電容（Bypass Capacitors）：在LM385的陰極（輸出端）和陽(yáng)極（輸入端），以及輸入電源附近，建議并聯(lián)小值（如0.1μF）和較大值（如1μF或10μF）的陶瓷電容。

• 輸出端電容： 有助于濾除高頻噪聲，改善瞬態(tài)響應(yīng)，并在負(fù)載瞬變時(shí)提供一個(gè)局部能量存儲(chǔ)，維持輸出電壓的穩(wěn)定。但需要注意，過(guò)大的輸出電容可能會(huì)影響器件的穩(wěn)定性（尤其是在特定負(fù)載條件下，可能需要檢查數(shù)據(jù)手冊(cè)中的穩(wěn)定性曲線）。

• 輸入端電容： 有助于濾除電源線上的噪聲，減少電源波動(dòng)對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響，并為L(zhǎng)M385提供一個(gè)低阻抗的電源路徑。

3. 布局（Layout Considerations）：良好的PCB布局對(duì)于高性能基準(zhǔn)電壓源至關(guān)重要：

• 短而粗的走線： 確保電源和接地走線盡可能短且寬，以減少寄生電阻和電感。

• 接地： 將LM385的接地引腳直接連接到低噪聲的模擬地平面。避免將大電流數(shù)字地與模擬地混合，以防止數(shù)字噪聲耦合到基準(zhǔn)電壓。

• 遠(yuǎn)離噪聲源： 將LM385放置在遠(yuǎn)離高頻開(kāi)關(guān)電源、數(shù)字邏輯電路和其他噪聲源的地方。

• 熱管理： 盡管LM385功耗極低，但在某些極端工作條件下，仍需注意散熱。特別是當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，限流電阻上的功耗可能較大，應(yīng)選擇合適功率等級(jí)的電阻。

4. 負(fù)載特性：雖然LM385具有一定的負(fù)載能力，但其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供一個(gè)低功耗的電壓基準(zhǔn)，而不是驅(qū)動(dòng)重負(fù)載。如果需要驅(qū)動(dòng)較大電流的負(fù)載，應(yīng)考慮在LM385的輸出后串聯(lián)一個(gè)緩沖器或運(yùn)算放大器，以隔離負(fù)載對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響，并提供所需的電流增益。

5. 噪聲性能：盡管LM385本身具有較低的輸出噪聲，但在對(duì)噪聲極端敏感的應(yīng)用中，可能需要額外的濾波措施。例如，可以在輸出端添加一個(gè)RC低通濾波器，但要注意這可能會(huì)引入一些額外的DC誤差和瞬態(tài)響應(yīng)延遲。

6. 溫度系數(shù)匹配：如果在一個(gè)系統(tǒng)中使用了多個(gè)LM385，或者與LM385相關(guān)的其他器件（如ADC）的溫度系數(shù)需要精確匹配，應(yīng)仔細(xì)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)，并考慮在相似的溫度環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試和校準(zhǔn)。

7. 啟動(dòng)時(shí)間（Turn-on Time）：LM385在通電后需要一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定的輸出電壓。這個(gè)啟動(dòng)時(shí)間取決于旁路電容的大小和供電電流。在某些時(shí)間關(guān)鍵的應(yīng)用中，需要將啟動(dòng)時(shí)間納入考慮。

8. 反向偏置保護(hù)：在某些情況下，如果輸入電源可能意外地反向連接，應(yīng)在LM385的輸入端串聯(lián)一個(gè)二極管進(jìn)行保護(hù)，以防止器件損壞。

9. ESD保護(hù)：LM385與其他半導(dǎo)體器件一樣，對(duì)靜電放電（ESD）敏感。在處理和安裝時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)措施。

結(jié)語(yǔ)

LM385作為一款經(jīng)典的微功耗帶隙基準(zhǔn)電壓源，以其卓越的性能和廣泛的適用性，在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位。它不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的元件，更是精密模擬電路設(shè)計(jì)哲學(xué)的典范——在極低的功耗預(yù)算下，實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的電壓輸出。從電池供電的便攜設(shè)備到復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)，LM385都為無(wú)數(shù)電子產(chǎn)品的可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

理解LM385的工作原理、特性及其應(yīng)用，對(duì)于任何從事模擬電路設(shè)計(jì)或需要精確電壓基準(zhǔn)的工程師來(lái)說(shuō)，都是一項(xiàng)寶貴的知識(shí)。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)考量和使用技巧，可以充分發(fā)揮LM385的潛力，為您的系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定、可靠的“電壓定海神針”。未來(lái)，隨著電子設(shè)備對(duì)能效和精度要求的不斷提高，LM385及其同類產(chǎn)品將繼續(xù)在微功耗和高性能基準(zhǔn)電壓領(lǐng)域扮演不可或缺的角色。