電壓參考：穩定的標準尺

為何每個電源都需要一把標準尺

在第二篇，你把線性穩壓器做成一個恆溫器：它盯著自己輸出的一小部分，不斷推動串接電晶體，把那條電源軌維持穩定。但恆溫器沒有設定點就毫無用處——穩定，是相對於什麼而言？誠實的答案是：穩壓器其實並不知道 5.00 V 是多少。它只懂得如何讓某個電壓等於另一個電壓，而那另一個、它完全信任的電壓，就是電壓參考。整個負回授迴路是一場比較，而電壓參考正是一切量測拿來比對的那把尺。

所以輸出的好壞，永遠不會超過那把標準尺。若參考讀數是 2.500 V，而回授分壓器把它放大兩倍，電源軌就會精確落在 5.000 V；若參考在大熱天悄悄漂移到 2.51 V，你以為固定的電源軌也跟著漂到 5.02 V，而下游沒有任何東西分辨得出來。一把橡皮做的尺，給你的是一個橡皮做的穩壓電源。因此它唯一的工作就是當一塊磐石：一個固定的電壓，無視輸入電壓、無視負載電流、也無視溫度。

稽納二極體：把崩潰變成好處

最簡單的參考，重新用上你在二極體那一階已經見過的元件。把稽納二極體狠狠地推進逆向，越過它的崩潰電壓後，它會大量導通，同時把跨在自己身上的電壓維持得幾近恆定——那就是它 I-V 曲線逆向側那道陡峭的垂直牆。從一條較高、較髒的電源軌經由一個串聯電阻餵給它，電阻吞下差額，稽納則把節點電壓釘住。你就這樣把一個受控、無害的崩潰，變成了一個固定的電壓。

      R = 1.4k
Vin o--/\/\/--+-------o  Vref ~ 5.1 V  (the reference node)
+12V         |
            _|_
            \ /   Zener 5.1 V, reverse-biased,
            ---       sitting in breakdown
             |
GND o--------+-------o  GND

Pick R so the Zener stays in breakdown at a sensible current:
  R   = (Vin - Vz) / Iz = (12 - 5.1) / 0.005  = 1.38k  -> use 1.4k
  P(R)     = (12 - 5.1) x 0.005 = 35 mW
  P(Zener) =  5.1       x 0.005 = 26 mW   (both run cool)

它確實有用，而且對於粗略的工作——一個邏輯門檻、一個過壓箝位——已經完美。但要誠實面對它的缺點。崩潰膝點是軟的，不是真正的垂直，所以稽納有一個實實在在的動態電阻（常達數十歐姆）：抽多一點電流，電壓就會偏移一些，這正是任何認真的負載都必須緩衝的原因。更糟的是，電壓會隨溫度漂移，方向還取決於零件。約 5 V 以下，真正的稽納機制給出負溫度係數；約 6 V 以上，崩潰（雪崩）機制給出正溫度係數。在 5.6 V 附近，這兩個效應大致互相抵消，這就是為什麼 5.1 V 與 5.6 V 的稽納是經典的參考選擇。

而且還有一個更深的限制。稽納光是要崩潰就需要好幾伏特的餘裕，所以你無法用它做出 1.2 V 或 2.5 V 的參考，在 3.3 V 系統上更是束手無策。它的雜訊也相對高。稽納是參考的草稿——誠實、便宜，當箝位器已經夠好，但不是 12 位元轉換器所要求的那把精密標準尺。為此，我們需要一個更聰明的把戲。

能隙參考：刻意抵消溫度

傑作是能隙參考，它的點子很美：做出兩個隨溫度往相反方向漂移的電壓，再把它們相加，讓漂移互相抵消。第一種材料是電晶體基極-射極接面的順向電壓。那個接面壓降不是漫畫模型裡固定的 0.7 V——溫度每升高一度，它就大約往下滑 -2 mV。把它稱作「下降」的那一份。

第二種材料是「上升」的那一份。讓兩個接面在不同的電流密度下工作，取它們兩個基極-射極壓降的差值；物理告訴我們，這個差值正比於絕對溫度——東西越熱，它爬得越高。把這個微小的上升電壓乘上恰到好處的增益，使它向上的斜率正好抵消接面向下的斜率，再把兩者相加，溫度依賴性就此消失。總和落在約 1.205 V——這是矽的能隙外推到絕對零度的值，名字便由此而來。

讀懂電壓參考的規格書

一旦你不再把電壓參考當成「一個固定電壓」，而開始讀它的規格，幾個數字就決定了一切。初始準確度是它出廠時在室溫下有多接近（例如正負 0.1%）。溫度係數（tempco），以 ppm／每攝氏度標示，是溫度改變時它爬得多遠——對精密零件來說是唯一最重要的數字。接著是雜訊（它抖動多少，常以某頻帶內的微伏特標示）、線路調整率（輸入軌變動時的漂移）與負載調整率（抽電流時的下垂），最後是長期漂移（它在一千小時間如何老化）。

溫度係數值得算一個例子，因為它的單位很會騙人。「ppm」是百萬分之幾：2.5 V 的 1 ppm 就是 2.5 微伏特。拿一個普通的 25 ppm/degC、2.5 V 的參考，讓它跨越 50 degC 的溫度範圍加熱。漂移是 25 times 50 = 1250 ppm，也就是 0.125%，換成電壓是 25 times 10^-6 times 50 times 2.5 = 3.1 mV。這聽起來微不足道——直到你把它餵給轉換器，你馬上就會看到。高階零件可能是 2 ppm/degC；而埋入式稽納參考（一種製作在矽表面底下、遠離雜訊污染的稽納）能更低雜訊、更穩定，代價是更貴。

1. 選一種拓樸。並聯式參考的行為像一個理想稽納（兩個端子，需要自己的串聯電阻）；串聯式參考則是像小型穩壓器般的三端子零件（輸入、輸出、接地），通常更容易直接套用。
2. 定下你的準確度預算。把初始準確度，加上你溫度範圍內的溫度係數漂移，再加上長期漂移加總起來，確認最壞情況的總和小於你能容忍的誤差。
3. 替它去耦。把製造商建議的電容直接放在輸出腳上——乾淨的參考很容易被雜訊弄髒，而錯誤的電容甚至會讓某些參考振盪，所以要照規格書做。
4. 若它必須驅動負載，就替它緩衝。在它後面接一個電壓隨耦器，讓參考本身保持輕載，而外界看到的是一個低阻抗的複本。

把參考當成滿刻度的尺

電壓參考最挑剔的客戶根本不是穩壓器——而是轉換器。類比數位轉換器量的不是伏特，而是它參考電壓的分數。一個 12 位元、配 2.5 V 參考的轉換器，把這個範圍切成 4096 階，所以一階（一個 LSB）是 2.5 / 4096 ≈ 0.61 mV。現在回想剛才那個 25 ppm 零件的 3.1 mV 漂移：那大約是五個 LSB 的誤差，悄悄地腐蝕每一筆讀數的最低幾位。昂貴的 12 位元轉換器，準不過餵給它的那個便宜參考——標準尺限制了量尺。

有一條漂亮的逃生路，它把電壓參考的缺陷變成不成問題。讓你的感測器和類比數位轉換器的參考，都由同一個電壓供電。這樣一來，若那個電壓漂移，感測器的輸出與轉換器的滿刻度會以相同的比例一起漂移，而比值——這正是類比數位轉換器唯一回報的東西——根本不變。這就是比例式量測，也正是讀取電阻電橋或電位器的方式：當你只在乎一個比值時，共用的參考會讓漂移互相抵消，於是一個普通的參考就夠好了。

這便收束了電壓參考。你現在掌握了整個光譜：稽納草稿、藏在每顆晶片裡的能隙傑作、把好零件與頂尖零件區分開來的那些規格數字，以及徹底繞過漂移的比例式量測。請帶著一個事實往前走：本階裡的每一個穩壓器——包括第四篇那個高效率的切換式轉換器——依然是拿它的回授去和正是這種標準尺比較。精通了電壓參考，你就精通了「穩定」真正的意思。