[发明专利]基准电压源电路及使用此电路的芯片与计量表

说明书

【技术领域】

本发明有关一种电压源电路，特别是指一种温度系数可调节的基准电压源电路及使用该基准电压源电路的电能计量芯片及电能计量表。

【背景技术】

电能计量表的计量模块一般包含传感器和电能计量芯片。对电能的计量涉及电压信号和电流信号的测量，因此传感器也包括电压信号传感器和电流信号传感器，其中电流信号传感器分为锰铜、CT、罗斯线圈等几种，而电压信号传感器更为简单，一般采用一串电阻分压的结构。

电能计量表要求在-40～80摄氏度范围内计量精度不发生大的偏差，希望控制在0.5%之内或甚至更小，对应80ppm/℃左右的温度系数。电能计量表随温度改变而产生的偏差主要来源于传感器和计量芯片，这两者的信号转换系数会随温度变化而发生改变，这些改变通常用温度系数来衡量，单位为1ppm/℃，即每摄氏度改变百万分之一。

在电流传感器之中，锰铜和罗斯线圈全金属材料，在-40~80摄氏度范围内，信号转换系数的改变很小，一般在0.1%之内。CT传感器包含一个CT和取样电阻，CT的温度系数同样很小，但取样电阻可能较大。因此取样电阻的温度系数决定了CT传感器信号转换的温度系数，要获得良好的温度性能，就需要选用高精度、低温漂的取样电阻，与普通电阻相比较，这类取样电阻的价格非常高。电压传感器通常由一串电阻组成，因此同样面临精度和成本之间折中的问题。

电能计量芯片主要包括电压ADC、电流ADC、基准电压源和数字信号处理单元（DSP），其中电压ADC和电流ADC负责将传感器产生的电压、电流信号转换为数字信号，基准电压源为ADC提供参考电压。DSP对ADC产生的信号进行运算，得到功率值、用电量、电压有效值、电流有效值等参量。DSP是数字电路，不存在温度偏差问题。电压ADC和电流ADC的温度系数则大部分取决于基准电压源的温度系数。

基准电压源一般采用Bandgap（带隙）电路结构实现，该电路结构利用具有正温度系数和负温度系数的两个电压叠加，通过合理的设计，使这两个电压的温度系数相互抵消，从而获得接近于零的温度系数。

典型的Bandgap电路结构如图1所示，该Bandgap电路包括第二三极管J2和第一三极管J1，并且第二三极管J2和第一三极管J1的基极与集电极均与地连接，而第一三极管J1的发射极与运算放大器（AMP）的同相输入端连接，而第二三极管J2的发射极与通过一电阻R₁与运算放大器（AMP）的反相输入端连接。并且该运算放大器（AMP）的输出端与同相输入端之间接到第三电阻R₃，而该运算放大器（AMP）的输出端与反相输入端之间接到第二电阻R₂，通过上述的电路结构其中负温度系数的电压取自第二三极管J2的V_be，其具有约-1.5mV/℃的温度系数。正温度系数的电压来自于两个三极管的V_be之差，即ΔV_be=V_TlnN，其中N为第二三极管J2和第一三极管J1的发射极面积之比，与温度成正线性相关。由于运算放大器（AMP）的作用，放大器正负两个输入端的电压相等，因此第一电阻R₁两端的电压即等于ΔV_be，第二电阻R₂两端的电压等于因此Bandgap电路输出的基准电压设计第二电阻R₂与第一电阻R₁的比值使得的正温度系数与V_be的负温度系数正好抵消，就得到一个随温度变化较恒定的基准电压。

目前电能计量芯片的设计原则都是将电能计量芯片的温度系数做到最好，即将基准电压随温度变化的曲线做得最平缓。当前较好的水平是基准电压随温度变化幅度在0.1%左右，约16.7ppm/℃。基准电压随温度0.1%的变化对应电能计量芯片0.2%的精度变化，约33ppm/℃。常温下基准电压一般为1.2V，随温度变化曲线是一个开口向下的抛物线，如图2所示。

为节省成本，传感器所用的电阻不一定采用高精度、低温漂规格的，这决定了传感器较高的温度系数，一般会有100～200ppm/℃的温度系数，对应-40~80摄氏度范围内0.6~1.2%的误差变化。