如何選擇電壓基準(zhǔn)

在模擬和混合信號(hào)電路中，以電壓基準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量其他信號(hào)。電壓基準(zhǔn)的不準(zhǔn)確及其變化會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。我們來看一下，選擇電壓基準(zhǔn)時(shí)，準(zhǔn)確度規(guī)格和其他標(biāo)準(zhǔn)是如何起作用的。

初始精度指的是，在給定溫度 (通常是 25°C) 時(shí)測(cè)得的輸出電壓的變化幅度。盡管各個(gè)電壓基準(zhǔn)的初始輸出電壓可能有所不同，但是如果給定基準(zhǔn)的初始輸出電壓是恒定的，就很容易校準(zhǔn)。

溫度漂移也許是評(píng)估電壓基準(zhǔn)性能時(shí)使用最為廣泛的性能規(guī)格，因?yàn)闇囟绕骑@示輸出電壓隨溫度的變化。溫度漂移由電路組件的瑕疵和非線性引起。很多器件的溫度漂移都以 ppm/°C 為單位規(guī)定，是主要的誤差源。器件的溫度漂移如果是一致的，就可以進(jìn)行一定程度的校準(zhǔn)。

關(guān)于溫度漂移有一種常見的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，那就是：它是線性的。但是，不應(yīng)該想當(dāng)然地認(rèn)為基準(zhǔn)的漂移量在較小的溫度范圍內(nèi)就會(huì)較小。溫度系數(shù) (TC) 通常是用一種“箱形法”來規(guī)定，以表達(dá)整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的誤差情況。它是通過劃分整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最小-最大電壓差，并除以總溫度范圍來計(jì)算的 (圖 1)。這些最小和最大電壓值可能并不出現(xiàn)在極端溫度下，因而形成了 TC 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于針對(duì)整個(gè)規(guī)定溫度范圍計(jì)算之平均值的區(qū)域。對(duì)于最謹(jǐn)慎調(diào)諧的基準(zhǔn) (這通?？赏ㄟ^其非常低的溫度漂移予以識(shí)別) 而言尤其如此，在此類基準(zhǔn)中，已經(jīng)對(duì)線性漂移分量進(jìn)行了補(bǔ)償，留下的是一個(gè)殘余非線性 TC。

圖 1：電壓基準(zhǔn)溫度特性

溫度漂移性能規(guī)格的最佳用途是，計(jì)算所規(guī)定溫度范圍內(nèi)的最大總體誤差。在未規(guī)定溫度范圍的情況下計(jì)算誤差，一般是不可取的，除非非常了解溫度漂移特性。

長(zhǎng)期穩(wěn)定性衡量基準(zhǔn)電壓隨時(shí)間推移的變化趨勢(shì)，不受其他變量影響。初始漂移大部分是由機(jī)械應(yīng)力變化引起的，是由引線框架、芯片和模具所用化合物的膨脹率不同導(dǎo)致的。這種應(yīng)力效應(yīng)往往產(chǎn)生很大的初始漂移，但漂移隨時(shí)間推移很快減小。初始漂移也和電路元件的電氣特性變化有關(guān)，包括器件特性在原子級(jí)別的穩(wěn)定性。較長(zhǎng)期的漂移由電路元件的電氣變化引起，常常稱為“老化”。與初始漂移相比，長(zhǎng)期漂移往往發(fā)生得較慢，并隨時(shí)間推移而減小。因此，長(zhǎng)期漂移常常以“漂移/√kHr”為單位規(guī)定。溫度較高時(shí)，電壓基準(zhǔn)往往老化更快。

熱遲滯是一項(xiàng)常常被忽視的性能規(guī)格，但有可能成為主要誤差源。熱遲滯本質(zhì)上是機(jī)械變化引起的，由于熱循環(huán)導(dǎo)致芯片應(yīng)力改變而產(chǎn)生。經(jīng)過一個(gè)大的溫度周期后，在給定溫度上輸出電壓的變化就可以看作熱遲滯。熱遲滯不受溫度系數(shù)和時(shí)間漂移影響，降低了初始電壓校準(zhǔn)的有效性。

在接下來的溫度周期中，大多數(shù)基準(zhǔn)都會(huì)圍繞標(biāo)稱輸出電壓變化，因此熱遲滯通常限制到一個(gè)可預(yù)測(cè)的最大值上。每個(gè)制造商都用自己的方法規(guī)定熱遲滯參數(shù)，因此比較熱遲滯參數(shù)的典型值可能產(chǎn)生誤導(dǎo)。估計(jì)輸出電壓誤差時(shí)，諸如 LT6654 和 LT6656 的數(shù)據(jù)表中提供的分布數(shù)據(jù)有用得多。

最近，一類新的電壓基準(zhǔn)進(jìn)入了市場(chǎng)。這些產(chǎn)品采用密封的表面貼裝封裝，與采用傳統(tǒng)塑料SOT-23 和 MSOP 封裝的相同產(chǎn)品相比，新產(chǎn)品的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和熱遲滯性能都有顯著改進(jìn)。新產(chǎn)品包括 LTC6655BHLS8-5#PBF、LT6656AILS8-1.25#PBF 和 LT6654AHLS8-2.5#PBF。

其他性能規(guī)格

視應(yīng)用需求的不同而不同，其他可能也很重要的性能規(guī)格包括：

·電壓噪聲

·電壓調(diào)節(jié) / 電源抑制比 (PSRR)

·負(fù)載調(diào)節(jié)

·壓差電壓

·電源范圍

·電源電流

基準(zhǔn)類型

大多數(shù)電壓基準(zhǔn)是串聯(lián) (圖 2) 或并聯(lián) (圖 3) 型的。串聯(lián)型基準(zhǔn)是 3 (或更多) 端子器件，類似于低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器，有很多與 LDO 同樣的優(yōu)點(diǎn)。串聯(lián)型基準(zhǔn)在很寬的電源電壓范圍內(nèi)消耗大小相對(duì)固定的電源電流，僅當(dāng)負(fù)載需要時(shí)，才提供負(fù)載電流。這使串聯(lián)型基準(zhǔn)非常適合電源電壓或負(fù)載電流變化較大的電路。ADI 公司提供的串聯(lián)型基準(zhǔn)包括 LT6654、LTC6655、LT6656 等。

圖 2：并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)

圖 3：串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)

并聯(lián)型基準(zhǔn)是兩端子型的，通常在規(guī)定的電流范圍內(nèi)工作。最常見的電路將基準(zhǔn)的一個(gè)端子接地，另一個(gè)端子連接一個(gè)電阻器。電阻器剩下的那個(gè)端子連接電源。這就產(chǎn)生了一個(gè) 3 端子電路?；鶞?zhǔn) / 電阻器公用端子是輸出端。選擇電阻器時(shí)必須保證，在整個(gè)電源范圍和負(fù)載電流范圍內(nèi)，通過基準(zhǔn)的最大和最小電流處在規(guī)定的范圍內(nèi)。如果電源電壓或負(fù)載電流可能大幅度變化，那么選擇電阻器時(shí)，必須保證適合這種變化幅度，這常常迫使電路消耗比標(biāo)稱情況所需大得多的功率。

并聯(lián)基準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)包括設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、封裝小巧以及寬電流和負(fù)載范圍內(nèi)的上佳穩(wěn)定性。此外，它們還可容易地設(shè)計(jì)為負(fù)電壓基準(zhǔn)，并能采用非常高的電源電壓 (因?yàn)橥獠侩娮杵鞒休d了大部分電壓) 或非常低的電源 (因?yàn)檩敵隹傻椭岭娫匆韵聨?mV)。產(chǎn)品實(shí)例包括 LT1004、LT1009、LM399 和 LTZ1000。

LT1021 、LT1019 等產(chǎn)品既可作為并聯(lián)型又可作為串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)運(yùn)行。

選擇基準(zhǔn)

現(xiàn)在我們來考慮，下次選擇電壓基準(zhǔn)時(shí)，如何使用這些信息。如果電源電壓非常高，那么兩端子并聯(lián)型基準(zhǔn)也許是最佳選擇。另一方面，如果電源電壓或負(fù)載電流預(yù)計(jì)變化范圍很大，那么串聯(lián)型基準(zhǔn)也許是更好的選擇。

計(jì)算基準(zhǔn)的總體準(zhǔn)確度時(shí)，要考慮應(yīng)用要求的精確度。要乘以溫度漂移和電壓基準(zhǔn)的規(guī)定溫度范圍 (ADI 在 0°C 至 70°C、–40°C 至 85°C、和 –40°C 至 125°C 等各種溫度范圍內(nèi)提供有保證的性能規(guī)格)。要了解總體準(zhǔn)確度，就要通盤考慮初始精度誤差、熱遲滯和產(chǎn)品預(yù)期壽命期內(nèi)的長(zhǎng)期漂移。對(duì)于要求最嚴(yán)格的應(yīng)用而言，還可以加上噪聲、電壓調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)誤差。例如，一個(gè) 0.1% (1000ppm) 初始精度誤差、在 –40°C 至 85°C 范圍內(nèi)溫度漂移為 25ppm/°C、200ppm 熱遲滯、2ppm 峰至峰值噪聲和 50ppm/√kHr 長(zhǎng)期穩(wěn)定性的基準(zhǔn)，總體不確定性在電路構(gòu)建時(shí)超過 4300ppm。在電路加電后的第一個(gè) 1000 小時(shí)中，這種不確定性增加 50ppm。初始精度可以校準(zhǔn)，因此誤差可降至 3300ppm + 50ppm x √(t/1000 小時(shí))。

還要考慮最大預(yù)期電源電壓、功耗和負(fù)載電流。負(fù)載會(huì)吸取很大的電流嗎? 或者負(fù)載產(chǎn)生的電流基準(zhǔn)必須吸收嗎? 很多基準(zhǔn)僅能向負(fù)載提供較小的電流，幾乎沒有基準(zhǔn)能吸收很大的電流。負(fù)載調(diào)節(jié)性能規(guī)格是一個(gè)良好的指導(dǎo)性指標(biāo)。

基準(zhǔn)采用的封裝多種多樣，包括塑料封裝 (例如 SOT-23)、密封表面貼裝封裝 (例如 LT6654AHLS8-2.5#PBF) 甚至金屬外殼。嚴(yán)密注意安裝方法和擺放位置可以最大限度減小應(yīng)力及相關(guān)的不準(zhǔn)確度。參見 ADI 提供的應(yīng)用指南 (Application Note) AN82 (Understanding and Applying Voltage References) 以了解和使用電壓基準(zhǔn)，并獲得更詳細(xì)的信息。

結(jié)論

選擇電壓基準(zhǔn)時(shí)，需要全面了解系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)確度的要求，在計(jì)算中考慮到所有相關(guān)誤差源。除了初始精度和溫度漂移，長(zhǎng)期穩(wěn)定性和遲滯也是重要的誤差來源。負(fù)載電流等其他性能規(guī)格也可能成為決定性因素。ADI 提供了多種電壓基準(zhǔn)產(chǎn)品，以滿足幾乎任何應(yīng)用的需求。