基准源漂移介绍,ppm/°C、PPM、温漂定义

从 LTZ1000 内部结构看 GM7402 设计细节

LTZ1000 家族:ADR1000,ADR1001

"低漂移 0.8 ppm/°C(典型值),1.5 ppm/°C(最大值)"是 GM7402 最核心的技术指标之一,反映了它的温度稳定性(Temperature Coefficient of Output Voltage, TC₍Vₒ₎)。

ppm/°C、PPM

"PPM" 是 "Parts Per Million" 的缩写,中文意思是 "百万分之一"。这是一个常用的相对比率单位,用来表示极小的误差、浓度或漂移量。它相当于:

"温漂"表示当环境温度变化时,基准电压输出的偏移量。 以 ppm/°C 为单位(百万分率每摄氏度),定义为:

假设输出 Vout = 2.5 V,温度范围 --55 °C → +125 °C(ΔT = 180 °C)

典型漂移 0.8 ppm/°C:

最大漂移 1.5 ppm/°C:

在从 --55°C 到 +125°C 的极端环境变化中,输出电压的漂移仅为 ±0.36 ~ 0.68 mV

PPM对比

横轴:温度(-40°C 到 +140°C)

纵轴:输出电压变化量(单位 µV,相对于 25°C 的参考点)

可以看到:

1 ppm/°C 的漂移极小,几乎是一条平线;

100 ppm/°C 则随温度变化明显

基准源对比

对比对象 温漂等级 实际表现 应用领域
一般工业级基准(如 TL431) 30--100 ppm/°C 温度变化几乎毫伏级漂移(数十 mV) 电源参考
高精度带隙(如 ADR445、REF5050) 2--3 ppm/°C 全温区漂移 1 ~ 2 mV 工业/仪表
GM7402(深埋齐纳) 0.8--1.5 ppm/°C 全温区漂移 < 1 mV 实验室级/医疗/车规

为什么能做到 0.8 ppm/°C

GM7402 相比前代(GM7400/7401 约 1.5 ppm/°C typ)能进一步降低温漂,关键在于:采用深埋齐纳(Buried Zener)核心:齐纳击穿电压在特定电流下对温度几乎不敏感(天然接近平坦曲线)。

深埋齐纳二极管(Buried Zener Diode)是一种专门设计的 高稳定性参考二极管结构,用于提供极其稳定的基准电压;它是通过在硅片内部深层掺杂与隔离结构实现的 "埋入型齐纳结",与普通表面齐纳有本质不同。普通齐纳(表面型)是在硅片表面形成 PN 结;深埋齐纳, 是把齐纳结"埋"在基片下面(通常深几微米),远离表面电荷与氧化层界面,从而:降低噪声;提高温度稳定性;抑制老化与漂移。

深埋齐纳的核心优势在于其零温度系数点(ZTC,Zero Temp Coefficient Point)。

击穿电压受两种效应影响:

  • 齐纳效应(隧穿击穿):电压随温度上升而略减小;+
  • 雪崩效应(碰撞电离):电压随温度上升而略增加;

在 约 6.8 V 附近,两种效应抵消 → 温度漂移趋近 0;因此,深埋齐纳基准通常工作在 6.9 V 附近,再经分压放大或缓冲输出为常见的 2.5 V、5 V 等精密基准电压。

这方面的佼佼者是:

温漂0.05ppm/ºC

内部电路:

齐纳二极管 + 晶体管 Q1→ 二者形成温度互补组合,输出稳定电压。

Q2 是温度传感器,用来检测芯片内部温度,控制加热器。

芯片内部还有寄生二极管,用来隔离加热电流对参考区的干扰。

多个绿色环形结构围绕中央核心,这些绿色环是 加热电阻环(heater rings):

外层两圈并联形成主加热器;

内层四圈可独立控制;

内外环之间通过键合点串/并连接,便于温控优化;

右上角另有一块基板接触垫,用于监控加热均匀性。这些环状加热结构能实现极低的温度梯度(≈0.01°C),确保齐纳与晶体管在完全一致的温度下工作。

蓝色点:晶体管 Q1 的发射极;

黑色环:Q1 的基极(也是齐纳阳极);

红线:齐纳阴极;

白线:Q1 集电极;

黄色/灰色线:温度检测晶体管 Q2。

齐纳结(雪崩击穿)与 Q1 的 BE 结(负温度系数)互相补偿;组合输出约 7V,温漂几乎为 0;两者必须紧贴放置以维持温度一致;齐纳为深埋式(Buried Zener),避开表面杂质与氧化界面,降低长期漂移。

利用齐纳击穿的正温度系数与晶体管 BE 结的负温度系数相互补偿,实现几乎零温漂的输出电压。

元件 颜色标识 功能
蓝色点 晶体管 Q1 的发射极(Emitter) 输出参考电压
黑色环 Q1 的基极,同时也是齐纳二极管的阳极 热、电信号耦合中心
红色线 齐纳阴极 击穿区输出端
白色线 晶体管集电极 提供偏置电流路径
黄色/灰色线 Q2 温度传感器(周边四个晶体管) 控制内部加热温度

整个结构呈 同心环布局:

中心:Zener + Q1 组合;

外圈:4 颗 Q2 温度监测晶体管;

更外圈:加热环(见前面的图);

所有结区被 粉红色的 P-N 隔离框 环绕,用以电隔离并减少漏电流。

总结

GM7400(1.5 ppm/°C):漂移曲线斜率最大,温度变化 180 °C 时约 ±0.68 mV。GM7401(1.35 ppm/°C):略优,漂移减少约 10--15%。

GM7402(0.8 ppm/°C,深埋齐纳架构):曲线几乎水平,全温区漂移仅 ±0.36 mV。

随着架构演进(带隙 → 低压带隙 → 深埋齐纳复合),温度稳定性提升约 2 倍。

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