LM385：微功耗带隙基准电压源的基石

在电子世界中，精确的电压基准是许多电路正常工作的核心。从模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）到电源管理单元，再到各种测量和控制系统，一个稳定、准确的基准电压源是不可或缺的。在众多基准电压源中，LM385系列以其独特的微功耗特性和卓越的性能脱颖而出，成为工程师们广泛信赖的选择。本节将深入探讨LM385的定义、核心概念、工作原理、关键特性、应用领域以及一些在实际设计中需要考虑的重要因素，旨在为读者提供一个全面而深入的理解。

LM385不仅仅是一个简单的元件，它代表了一种精巧的模拟电路设计哲学——在保证高精度的同时，尽可能地降低功耗。这种平衡在电池供电、物联网（IoT）设备以及其他对能效有严格要求的应用中显得尤为重要。理解LM385，不仅仅是了解一个芯片的引脚和参数，更是理解其背后所蕴含的模拟电路设计智慧。

LM385的定义与核心概念

LM385是一款由国家半导体（National Semiconductor，现已被德州仪器收购）公司推出的微功耗带隙基准电压源（Micropower Bandgap Voltage Reference）。它的主要功能是提供一个非常稳定和精确的参考电压，而其自身消耗的电流却极低，通常在微安（µA）级别。

1. 基准电压源（Voltage Reference）：基准电压源是电路中用于提供一个固定、稳定、独立于温度和电源电压变化的电压的器件。它在电路中扮演着“标准尺”的角色，确保其他电路块，特别是那些依赖精确电压的电路（如ADC、DAC、比较器等），能够准确地执行其功能。理想的基准电压源应具备以下特性：

• 高精度： 输出电压尽可能接近标称值。

• 低温度漂移： 输出电压随温度变化的幅度极小。

• 高稳定性： 输出电压不受电源电压波动、负载变化或时间推移的影响。

• 低噪声： 输出电压中的随机波动尽可能小。

• 低功耗： 自身消耗的电能少。

2. 带隙（Bandgap）：“带隙”是LM385核心技术的基础。带隙基准电压源利用半导体PN结正向电压的负温度系数特性和电阻器电流的零温度系数特性进行精确补偿，从而产生一个与温度无关的基准电压。具体来说，它巧妙地结合了两个具有不同温度系数的电压：一个具有正温度系数的电压（通常由两个不同电流密度的BJT的VBE差产生），和一个具有负温度系数的电压（如PN结的正向压降VBE）。通过精确地加权和求和这两个电压，可以在某个温度点上实现零温度系数，从而在较宽的温度范围内保持输出电压的稳定。这个“带隙”电压的典型值约为1.2V到1.25V，与硅的带隙能量（约1.205V在0K）密切相关，因此得名。LM385系列提供了多种输出电压选择，如1.2V、2.5V、5.0V等，但其内部核心生成的基础带隙电压通常在1.2V左右，并通过内部电路进行分压或放大以得到其他标称电压。

3. 微功耗（Micropower）：“微功耗”是LM385系列最显著的特点之一。这意味着器件在工作时消耗的电流非常小，通常只有几十微安甚至几微安。这对于电池供电设备、便携式仪器、远程传感器以及其他对电源效率有严格要求的应用至关重要。通过降低功耗，可以显著延长电池寿命，减少发热，并降低系统的整体能耗。LM385通过优化内部电路设计，例如采用低偏置电流的放大器和精密的电流镜，实现了极低的静态电流消耗。

LM385的工作原理

LM385的核心是一个带隙基准电路。虽然具体实现细节可能因型号而异，但其基本原理是相同的：通过组合具有相反温度系数的电压来创建一个温度不敏感的电压。

带隙基准电压源的基本思想：我们知道，一个二极管或晶体管的基射电压VBE具有负温度系数，即当温度升高时，VBE会下降。这种下降大约是2mV/∘C。另一方面，如果能找到一个具有正温度系数的电压，并通过恰当的比例将两者相加，那么在某个温度点，这两个温度系数可以相互抵消，从而产生一个零温度系数的电压。

LM385内部通常采用两个不同的PN结（通常是BJT的基射结），它们工作在不同的电流密度下。假设有两个晶体管Q1和Q2，它们的集电极电流分别为IC1和IC2，且IC1=IC2。它们基射电压的差值ΔVBE可以表示为：ΔVBE=VBE1−VBE2=VTln(IS1IC1)−VTln(IS2IC2)如果假定IS1=IS2（相同晶体管），那么：ΔVBE=VTln(IC2IC1)其中，VT=kT/q是热电压，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子电荷。 从这个公式可以看出，ΔVBE与T成正比，因此它具有正温度系数。

现在我们有了两个电压：

1. VBE： 具有负温度系数。

2. ΔVBE： 具有正温度系数（或PTAT电压，Proportional To Absolute Temperature）。

带隙基准电路通过一个运算放大器和电阻网络，将PTAT电压（ΔVBE）进行放大，然后将其与一个PN结的VBE电压相加。具体来说，输出基准电压VREF可以表示为：VREF=VBE+K⋅ΔVBE其中K是一个比例常数，由内部电阻比率决定。通过精确选择K的值，可以使VBE的负温度系数和K⋅ΔVBE的正温度系数在宽泛的温度范围内相互抵消，从而产生一个非常稳定的、近乎零温度系数的输出电压。

LM385内部的实现通常会包括一个精密运算放大器、多个双极性晶体管和薄膜电阻，它们被设计成一个紧凑的集成电路。其自偏置电路能够确保在极低的供电电流下也能正常启动和工作，这是其“微功耗”特性的重要保障。

LM385的关键特性

LM385作为一款优秀的基准电压源，具备一系列引人注目的关键特性，这些特性使其在各种应用中表现出色。

1. 低功耗（Low Power Consumption）：这是LM385最核心的特性之一。LM385-1.2V的典型工作电流可以低至10µA，而LM385-2.5V和LM385-5.0V的典型工作电流也仅为20µA左右。这种极低的电流消耗对于电池供电的便携设备、遥感设备以及其他对能效要求严苛的系统至关重要，能够显著延长电池使用寿命。

2. 宽输入电压范围（Wide Input Voltage Range）：LM385可以在较宽的输入电压范围内正常工作，通常输入电压可以从输出电压加上最小工作压降（几百毫伏）一直到高达30V或更高（具体取决于型号）。这意味着它可以直接从各种电源轨供电，无需额外的稳压电路，简化了系统设计。例如，对于LM385-2.5V，其最小工作电压可能只需要2.5V加上约20µA电流流过负载和内部电阻引起的压降，通常约为2.5V到3.0V即可正常工作。

3. 卓越的温度稳定性（Excellent Temperature Stability）：LM385通过其精密的带隙设计，实现了极低的温度系数。例如，LM385A（更高级别）的温度系数可以低至50ppm/∘C或更低，这意味着在1°C的温度变化下，输出电压的变化仅为百万分之五十。这种出色的温度稳定性确保了在环境温度波动较大的情况下，基准电压依然能够保持高度精确。

4. 良好的初始精度（Good Initial Accuracy）：LM385在出厂时就经过了严格的校准，确保其输出电压具有较高的初始精度。例如，LM385A-2.5V的初始精度通常可以达到±1%甚至更好，这对于许多不需要额外校准的应用来说非常方便。

5. 低输出噪声（Low Output Noise）：高质量的基准电压源应具有较低的输出噪声，以避免对敏感模拟电路造成干扰。LM385经过优化设计，其输出噪声电压较低，能够提供一个相对“干净”的参考电压。

6. 负载调整率（Load Regulation）：负载调整率描述了当输出负载电流变化时，基准电压源保持其输出电压稳定的能力。LM385通常具有良好的负载调整率，即在一定负载范围内，输出电压变化很小。

7. 线性调整率（Line Regulation）：线性调整率描述了当输入电源电压变化时，基准电压源保持其输出电压稳定的能力。LM385也具有优秀的线性调整率，这使得它能够有效抑制电源电压波动对输出基准电压的影响。

8. 多种输出电压选项（Multiple Output Voltage Options）：LM385系列提供了多种标称输出电压，常见的有1.2V、2.5V和5.0V。这使得设计者可以根据具体应用的需求选择最合适的基准电压。

9. 小型封装（Small Package）：LM385通常采用小型的TO-92、SOT-23或SOIC等封装形式，这有助于节省PCB空间，尤其适用于紧凑型电子产品。

LM385的应用领域

凭借其独特的微功耗和高精度特性，LM385在广泛的电子应用中扮演着关键角色。

1. 便携式和电池供电设备：这是LM385最典型的应用场景。由于其极低的功耗，LM385是为电池供电的便携式设备（如手持仪表、血糖仪、远程传感器、智能手表、无线传感器节点等）提供稳定基准电压的理想选择。它能显著延长电池寿命，减少更换电池的频率。

2. 精密模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）：ADC和DAC的转换精度直接取决于其参考电压的稳定性。LM385提供了一个高精度、低漂移的基准电压，确保了ADC和DAC能够实现其标称的转换分辨率和线性度。例如，在需要高精度测量的数字万用表、数据采集系统和工业控制系统中，LM385可以作为ADC的参考电压。

3. 精密稳压器和电源管理：LM385可以作为精密线性稳压器和开关电源的反馈控制环路中的参考电压。通过将其输出连接到误差放大器的参考输入端，可以实现高精度、低噪声的电源输出。在低功耗电源模块中，LM385也能发挥重要作用。

4. 模拟仪表和传感器接口电路：在各种模拟仪表（如电压表、电流表、温度计）中，LM385可以提供稳定的校准电压。对于传感器接口电路，如压力传感器、温度传感器或气体传感器等，LM385可以提供一个稳定的激励电压或参考电压，以确保测量结果的准确性。

5. 电池电压监控器和充电器：在电池管理系统中，LM385可以作为精确的参考电压，用于电池电压的比较和监测，以确定电池的充电状态或低电量阈值。它也可以用于电池充电器中的恒压充电阶段。

6. 可编程逻辑控制器（PLC）和工业自动化：在工业环境中，对测量精度和系统稳定性有很高要求。LM385可以用于PLC中的模拟输入/输出模块，为传感器信号调理和控制回路提供稳定可靠的基准。

7. 消费电子产品：在一些对电池续航时间要求较高的消费电子产品中，如智能家居设备、个人健康监测设备等，LM385也能找到其用武之地，为内部的测量和控制电路提供稳定的电压基准。

8. 通信系统：在无线通信模块或基站中，可能会用到LM385为射频（RF）电路中的混频器、压控振荡器（VCO）等提供稳定的偏置电压或参考电压，以确保信号质量和频率稳定。

LM385的设计考量与使用技巧

虽然LM385易于使用，但在实际电路设计中，仍有一些重要的考量和技巧可以帮助您最大化其性能并避免潜在问题。

1. 输入电压和功耗：LM385需要一个最小的正向偏置电流才能正常工作。这个电流通常通过一个限流电阻串联在LM385的阳极和电源之间来提供。该电阻的计算是关键：RSERIES=IBIASVIN−VOUT其中，VIN是输入电源电压，VOUT是LM385的标称输出电压（例如1.2V或2.5V），IBIAS是LM385的最小偏置电流（通常在数据手册中查找）。IBIAS应略大于最小推荐工作电流，以确保启动和稳定。选择IBIAS过大会增加功耗，而过小可能导致基准不稳定或无法启动。

2. 旁路电容（Bypass Capacitors）：在LM385的阴极（输出端）和阳极（输入端），以及输入电源附近，建议并联小值（如0.1µF）和较大值（如1µF或10µF）的陶瓷电容。

• 输出端电容： 有助于滤除高频噪声，改善瞬态响应，并在负载瞬变时提供一个局部能量存储，维持输出电压的稳定。但需要注意，过大的输出电容可能会影响器件的稳定性（尤其是在特定负载条件下，可能需要检查数据手册中的稳定性曲线）。

• 输入端电容： 有助于滤除电源线上的噪声，减少电源波动对基准电压的影响，并为LM385提供一个低阻抗的电源路径。

3. 布局（Layout Considerations）：良好的PCB布局对于高性能基准电压源至关重要：

• 短而粗的走线： 确保电源和接地走线尽可能短且宽，以减少寄生电阻和电感。

• 接地： 将LM385的接地引脚直接连接到低噪声的模拟地平面。避免将大电流数字地与模拟地混合，以防止数字噪声耦合到基准电压。

• 远离噪声源： 将LM385放置在远离高频开关电源、数字逻辑电路和其他噪声源的地方。

• 热管理： 尽管LM385功耗极低，但在某些极端工作条件下，仍需注意散热。特别是当输入电压较高时，限流电阻上的功耗可能较大，应选择合适功率等级的电阻。

4. 负载特性：虽然LM385具有一定的负载能力，但其主要设计目标是提供一个低功耗的电压基准，而不是驱动重负载。如果需要驱动较大电流的负载，应考虑在LM385的输出后串联一个缓冲器或运算放大器，以隔离负载对基准电压的影响，并提供所需的电流增益。

5. 噪声性能：尽管LM385本身具有较低的输出噪声，但在对噪声极端敏感的应用中，可能需要额外的滤波措施。例如，可以在输出端添加一个RC低通滤波器，但要注意这可能会引入一些额外的DC误差和瞬态响应延迟。

6. 温度系数匹配：如果在一个系统中使用了多个LM385，或者与LM385相关的其他器件（如ADC）的温度系数需要精确匹配，应仔细查阅数据手册，并考虑在相似的温度环境下进行测试和校准。

7. 启动时间（Turn-on Time）：LM385在通电后需要一定的时间才能达到稳定的输出电压。这个启动时间取决于旁路电容的大小和供电电流。在某些时间关键的应用中，需要将启动时间纳入考虑。

8. 反向偏置保护：在某些情况下，如果输入电源可能意外地反向连接，应在LM385的输入端串联一个二极管进行保护，以防止器件损坏。

9. ESD保护：LM385与其他半导体器件一样，对静电放电（ESD）敏感。在处理和安装时应采取适当的ESD保护措施。

结语

LM385作为一款经典的微功耗带隙基准电压源，以其卓越的性能和广泛的适用性，在电子设计领域占据着重要的地位。它不仅仅是一个简单的元件，更是精密模拟电路设计哲学的典范——在极低的功耗预算下，实现高精度、高稳定性的电压输出。从电池供电的便携设备到复杂的工业控制系统，LM385都为无数电子产品的可靠运行提供了坚实的基础。

理解LM385的工作原理、特性及其应用，对于任何从事模拟电路设计或需要精确电压基准的工程师来说，都是一项宝贵的知识。通过合理的设计考量和使用技巧，可以充分发挥LM385的潜力，为您的系统提供一个稳定、可靠的“电压定海神针”。未来，随着电子设备对能效和精度要求的不断提高，LM385及其同类产品将继续在微功耗和高性能基准电压领域扮演不可或缺的角色。