LM385：微功耗帶隙基準電壓源的基石

在電子世界中，精確的電壓基準是許多電路正常工作的核心。從模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）到電源管理單元，再到各種測量和控制系統，一個穩定、準確的基準電壓源是不可或缺的。在眾多基準電壓源中，LM385系列以其獨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。本節將深入探討LM385的定義、核心概念、工作原理、關鍵特性、應用領域以及一些在實際設計中需要考慮的重要因素，旨在為讀者提供一個全面而深入的理解。

LM385不僅僅是一個簡單的元件，它代表了一種精巧的模擬電路設計哲學——在保證高精度的同時，盡可能地降低功耗。這種平衡在電池供電、物聯網（IoT）設備以及其他對能效有嚴格要求的應用中顯得尤為重要。理解LM385，不僅僅是了解一個芯片的引腳和參數，更是理解其背后所蘊含的模擬電路設計智慧。

LM385的定義與核心概念

LM385是一款由國家半導體（National Semiconductor，現已被德州儀器收購）公司推出的微功耗帶隙基準電壓源（Micropower Bandgap Voltage Reference）。它的主要功能是提供一個非常穩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）級別。

1. 基準電壓源（Voltage Reference）：基準電壓源是電路中用于提供一個固定、穩定、獨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“標準尺”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），能夠準確地執行其功能。理想的基準電壓源應具備以下特性：

• 高精度： 輸出電壓盡可能接近標稱值。

• 低溫度漂移： 輸出電壓隨溫度變化的幅度極小。

• 高穩定性： 輸出電壓不受電源電壓波動、負載變化或時間推移的影響。

• 低噪聲： 輸出電壓中的隨機波動盡可能小。

• 低功耗： 自身消耗的電能少。

2. 帶隙（Bandgap）：“帶隙”是LM385核心技術的基礎。帶隙基準電壓源利用半導體PN結正向電壓的負溫度系數特性和電阻器電流的零溫度系數特性進行精確補償，從而產生一個與溫度無關的基準電壓。具體來說，它巧妙地結合了兩個具有不同溫度系數的電壓：一個具有正溫度系數的電壓（通常由兩個不同電流密度的BJT的VBE差產生），和一個具有負溫度系數的電壓（如PN結的正向壓降VBE）。通過精確地加權和求和這兩個電壓，可以在某個溫度點上實現零溫度系數，從而在較寬的溫度范圍內保持輸出電壓的穩定。這個“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，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，但其內部核心生成的基礎帶隙電壓通常在1.2V左右，并通過內部電路進行分壓或放大以得到其他標稱電壓。

3. 微功耗（Micropower）：“微功耗”是LM385系列最顯著的特點之一。這意味著器件在工作時消耗的電流非常小，通常只有幾十微安甚至幾微安。這對于電池供電設備、便攜式儀器、遠程傳感器以及其他對電源效率有嚴格要求的應用至關重要。通過降低功耗，可以顯著延長電池壽命，減少發熱，并降低系統的整體能耗。LM385通過優化內部電路設計，例如采用低偏置電流的放大器和精密的電流鏡，實現了極低的靜態電流消耗。

LM385的工作原理

LM385的核心是一個帶隙基準電路。雖然具體實現細節可能因型號而異，但其基本原理是相同的：通過組合具有相反溫度系數的電壓來創建一個溫度不敏感的電壓。

帶隙基準電壓源的基本思想：我們知道，一個二極管或晶體管的基射電壓VBE具有負溫度系數，即當溫度升高時，VBE會下降。這種下降大約是2mV/°C。另一方面，如果能找到一個具有正溫度系數的電壓，并通過恰當的比例將兩者相加，那么在某個溫度點，這兩個溫度系數可以相互抵消，從而產生一個零溫度系數的電壓。

LM385內部通常采用兩個不同的PN結（通常是BJT的基射結），它們工作在不同的電流密度下。假設有兩個晶體管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，T是絕對溫度，q是電子電荷。 從這個公式可以看出，ΔVBE與T成正比，因此它具有正溫度系數。

現在我們有了兩個電壓：

1. VBE： 具有負溫度系數。

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

帶隙基準電路通過一個運算放大器和電阻網絡，將PTAT電壓（ΔVBE）進行放大，然后將其與一個PN結的VBE電壓相加。具體來說，輸出基準電壓VREF可以表示為：VREF=VBE+K?ΔVBE其中K是一個比例常數，由內部電阻比率決定。通過精確選擇K的值，可以使VBE的負溫度系數和K?ΔVBE的正溫度系數在寬泛的溫度范圍內相互抵消，從而產生一個非常穩定的、近乎零溫度系數的輸出電壓。

LM385內部的實現通常會包括一個精密運算放大器、多個雙極性晶體管和薄膜電阻，它們被設計成一個緊湊的集成電路。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和工作，這是其“微功耗”特性的重要保障。

LM385的關鍵特性

LM385作為一款優秀的基準電壓源，具備一系列引人注目的關鍵特性，這些特性使其在各種應用中表現出色。

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于電池供電的便攜設備、遙感設備以及其他對能效要求嚴苛的系統至關重要，能夠顯著延長電池使用壽命。

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30V或更高（具體取決于型號）。這意味著它可以直接從各種電源軌供電，無需額外的穩壓電路，簡化了系統設計。例如，對于LM385-2.5V，其最小工作電壓可能只需要2.5V加上約20μA電流流過負載和內部電阻引起的壓降，通常約為2.5V到3.0V即可正常工作。

3. 卓越的溫度穩定性（Excellent Temperature Stability）：LM385通過其精密的帶隙設計，實現了極低的溫度系數。例如，LM385A（更高級別）的溫度系數可以低至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分之五十。這種出色的溫度穩定性確保了在環境溫度波動較大的情況下，基準電壓依然能夠保持高度精確。

4. 良好的初始精度（Good Initial Accuracy）：LM385在出廠時就經過了嚴格的校準，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到±1%甚至更好，這對于許多不需要額外校準的應用來說非常方便。

5. 低輸出噪聲（Low Output Noise）：高質量的基準電壓源應具有較低的輸出噪聲，以避免對敏感模擬電路造成干擾。LM385經過優化設計，其輸出噪聲電壓較低，能夠提供一個相對“干凈”的參考電壓。

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

7. 線性調整率（Line Regulation）：線性調整率描述了當輸入電源電壓變化時，基準電壓源保持其輸出電壓穩定的能力。LM385也具有優秀的線性調整率，這使得它能夠有效抑制電源電壓波動對輸出基準電壓的影響。

8. 多種輸出電壓選項（Multiple Output Voltage Options）：LM385系列提供了多種標稱輸出電壓，常見的有1.2V、2.5V和5.0V。這使得設計者可以根據具體應用的需求選擇最合適的基準電壓。

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，這有助于節省PCB空間，尤其適用于緊湊型電子產品。

LM385的應用領域

憑借其獨特的微功耗和高精度特性，LM385在廣泛的電子應用中扮演著關鍵角色。

1. 便攜式和電池供電設備：這是LM385最典型的應用場景。由于其極低的功耗，LM385是為電池供電的便攜式設備（如手持儀表、血糖儀、遠程傳感器、智能手表、無線傳感器節點等）提供穩定基準電壓的理想選擇。它能顯著延長電池壽命，減少更換電池的頻率。

2. 精密模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）：ADC和DAC的轉換精度直接取決于其參考電壓的穩定性。LM385提供了一個高精度、低漂移的基準電壓，確保了ADC和DAC能夠實現其標稱的轉換分辨率和線性度。例如，在需要高精度測量的數字萬用表、數據采集系統和工業控制系統中，LM385可以作為ADC的參考電壓。

3. 精密穩壓器和電源管理：LM385可以作為精密線性穩壓器和開關電源的反饋控制環路中的參考電壓。通過將其輸出連接到誤差放大器的參考輸入端，可以實現高精度、低噪聲的電源輸出。在低功耗電源模塊中，LM385也能發揮重要作用。

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）中，LM385可以提供穩定的校準電壓。對于傳感器接口電路，如壓力傳感器、溫度傳感器或氣體傳感器等，LM385可以提供一個穩定的激勵電壓或參考電壓，以確保測量結果的準確性。

5. 電池電壓監控器和充電器：在電池管理系統中，LM385可以作為精確的參考電壓，用于電池電壓的比較和監測，以確定電池的充電狀態或低電量閾值。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）和工業自動化：在工業環境中，對測量精度和系統穩定性有很高要求。LM385可以用于PLC中的模擬輸入/輸出模塊，為傳感器信號調理和控制回路提供穩定可靠的基準。

7. 消費電子產品：在一些對電池續航時間要求較高的消費電子產品中，如智能家居設備、個人健康監測設備等，LM385也能找到其用武之地，為內部的測量和控制電路提供穩定的電壓基準。

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

LM385的設計考量與使用技巧

雖然LM385易于使用，但在實際電路設計中，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題。

1. 輸入電壓和功耗：LM385需要一個最小的正向偏置電流才能正常工作。這個電流通常通過一個限流電阻串聯在LM385的陽極和電源之間來提供。該電阻的計算是關鍵：RSERIES=IBIASVIN?VOUT其中，VIN是輸入電源電壓，VOUT是LM385的標稱輸出電壓（例如1.2V或2.5V），IBIAS是LM385的最小偏置電流（通常在數據手冊中查找）。IBIAS應略大于最小推薦工作電流，以確保啟動和穩定。選擇IBIAS過大會增加功耗，而過小可能導致基準不穩定或無法啟動。

2. 旁路電容（Bypass Capacitors）：在LM385的陰極（輸出端）和陽極（輸入端），以及輸入電源附近，建議并聯小值（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，改善瞬態響應，并在負載瞬變時提供一個局部能量存儲，維持輸出電壓的穩定。但需要注意，過大的輸出電容可能會影響器件的穩定性（尤其是在特定負載條件下，可能需要檢查數據手冊中的穩定性曲線）。

• 輸入端電容： 有助于濾除電源線上的噪聲，減少電源波動對基準電壓的影響，并為LM385提供一個低阻抗的電源路徑。

3. 布局（Layout Considerations）：良好的PCB布局對于高性能基準電壓源至關重要：

• 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。避免將大電流數字地與模擬地混合，以防止數字噪聲耦合到基準電壓。

• 遠離噪聲源： 將LM385放置在遠離高頻開關電源、數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。特別是當輸入電壓較高時，限流電阻上的功耗可能較大，應選擇合適功率等級的電阻。

4. 負載特性：雖然LM385具有一定的負載能力，但其主要設計目標是提供一個低功耗的電壓基準，而不是驅動重負載。如果需要驅動較大電流的負載，應考慮在LM385的輸出后串聯一個緩沖器或運算放大器，以隔離負載對基準電壓的影響，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，但在對噪聲極端敏感的應用中，可能需要額外的濾波措施。例如，可以在輸出端添加一個RC低通濾波器，但要注意這可能會引入一些額外的DC誤差和瞬態響應延遲。

6. 溫度系數匹配：如果在一個系統中使用了多個LM385，或者與LM385相關的其他器件（如ADC）的溫度系數需要精確匹配，應仔細查閱數據手冊，并考慮在相似的溫度環境下進行測試和校準。

7. 啟動時間（Turn-on Time）：LM385在通電后需要一定的時間才能達到穩定的輸出電壓。這個啟動時間取決于旁路電容的大小和供電電流。在某些時間關鍵的應用中，需要將啟動時間納入考慮。

8. 反向偏置保護：在某些情況下，如果輸入電源可能意外地反向連接，應在LM385的輸入端串聯一個二極管進行保護，以防止器件損壞。

9. ESD保護：LM385與其他半導體器件一樣，對靜電放電（ESD）敏感。在處理和安裝時應采取適當的ESD保護措施。

結語

LM385作為一款經典的微功耗帶隙基準電壓源，以其卓越的性能和廣泛的適用性，在電子設計領域占據著重要的地位。它不僅僅是一個簡單的元件，更是精密模擬電路設計哲學的典范——在極低的功耗預算下，實現高精度、高穩定性的電壓輸出。從電池供電的便攜設備到復雜的工業控制系統，LM385都為無數電子產品的可靠運行提供了堅實的基礎。

理解LM385的工作原理、特性及其應用，對于任何從事模擬電路設計或需要精確電壓基準的工程師來說，都是一項寶貴的知識。通過合理的設計考量和使用技巧，可以充分發揮LM385的潛力，為您的系統提供一個穩定、可靠的“電壓定海神針”。未來，隨著電子設備對能效和精度要求的不斷提高，LM385及其同類產品將繼續在微功耗和高性能基準電壓領域扮演不可或缺的角色。