稳压二极管加运算放大器实现稳定的电压基准
稳压二极管加运算放大器实现稳定的电压基准
本文介绍了一种使用稳压二极管和运算放大器实现的电压基准电路。该电路能够承受输入电源和负载电流的较大波动，并通过三步迭代改进设计，最终实现了一个稳定的电压基准。
简介
介绍了一种使用稳压二极管和运算放大器实现的电压基准的实现，可以承受输入电源和负载电流的较大波动，并对原理进行了解释。
方法
图中使用的稳压二极管为 6.2 V 稳压管，运算放大器使用的型号为 LM324，按照图中的参数配置的话，只要满足输入V I V_IVI 在 12 V 至 36 V ，负载电流I L I_LIL 在 0 至 25 mA 范围内波动，输出的参考电压V O V_OVO 就能稳定的保持在 10 V 左右，通过调节R 2 R_2R2 电阻，可以改变参考电压V O V_OVO 的值。
解释
pn 结的线性近似和大信号模型如图所示。
图中
ON 代表 pn 结的前向导通区域
CO (cut off) 代表截止区域
BD (breakdown) 是反向击穿区域。
稳压二极管工作在图中的 BD (二极管的反向击穿)区域，该区域的大信号等效模型为电压源V Z 0 V_{Z0}VZ0 串联一个等效电阻r z r_zrz 。
下面分三次迭代由简入深的推导出开头我们介绍的电压基准电路。
1.初步设计
下图是直接利用稳压二极管的稳压特性设计的电压基准电路。
通过电阻 R 的分压限流，使稳压二极管工作在反向击穿区域的合适位置，使用对应的等效模型替换，得到下图所示的等效电路：
使用叠加定理，可以得到输出电压为：
V O = r z R + r z V I + R R + r z V Z 0 − ( R / / r z ) I L V_O = \frac{r_z}{R+r_z}V_I + \frac{R}{R+r_z}V_{Z0} - (R//r_z)I_LVO =R+rz rz VI +R+rz R VZ0 −(R//rz )IL
公式中第一项跟输入电压有关，第三项跟输出电流有关，所以这种方案输出的电压基准V O V_OVO 会受到输入和负载的影响，基准不稳定，需要改进。
2.尝试消除负载的影响
第二版改进版本采用运算放大器隔离输入和负载输出，使用同相放大电路，根据同相放大电路的公式有：
V O = ( 1 + R 2 R 1 ) V Z V_O = (1 + \frac{R_2}{R_1})V_ZVO =(1+R1 R2 )VZ
因为流入放大器同相端的电流几乎为 0 ，所以再次使用叠加法可得：
V Z = r z R + r z V I + R R + r z V Z 0 − 0 V_Z = \frac{r_z}{R+r_z}V_I + \frac{R}{R+r_z}V_{Z0} - 0VZ =R+rz rz VI +R+rz R VZ0 −0
这里我们就消除掉了负载电流对V O V_OVO 的影响。
但是，这里的输出基准电压V O V_OVO 还是会受到输入电源的影响，会随着输入电源的波动而波动，需要继续改进。
3.消除输入电源的影响
这里在上一步的基础上使用输出的电压基准V O V_OVO 作为稳压二极管的输入电源，同时修改R 2 R_2R2 为可调电阻，可以方便控制放大器的放大倍率，此时的V Z V_ZVZ 与输入电源无关，为：
V Z = r z R + r z V O + R R + r z V Z 0 V_Z = \frac{r_z}{R+r_z}V_O + \frac{R}{R+r_z}V_{Z0}VZ =R+rz rz VO +R+rz R VZ0
带入下式：
V O = ( 1 + R 2 R 1 ) V Z V_O = (1 + \frac{R_2}{R_1})V_ZVO =(1+R1 R2 )VZ
可得：
V O = 1 + R 2 R 1 1 − R 2 r z R 1 R V Z 0 V_O = \frac{1 + \frac{R_2}{R_1}}{1-\frac{R_2r_z}{R_1R}}V_{Z0}VO =1−R1 RR2 rz 1+R1 R2 VZ0
其中V Z 0 V_{Z0}VZ0 和r Z r_ZrZ 是稳压二极管的大信号等效模型里的参数。
至此，得到了开头介绍的稳定的电压基准电路。
参考
《模拟电路设计分立与集成（英文版）》- [美]Sergio Franco 著 雷鑑铭 注释 - p79: Using an Op Amp to Improve Voltage-Reference Performance.