如何選擇電壓基準

在模擬和混合信號電路中，以電壓基準為標準測量其他信號。電壓基準的不準確及其變化會直接影響整個系統(tǒng)的準確度。我們來看一下，選擇電壓基準時，準確度規(guī)格和其他標準是如何起作用的。

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

溫度漂移也許是評估電壓基準性能時使用最為廣泛的性能規(guī)格，因為溫度漂移顯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，就可以進行一定程度的校準。

關于溫度漂移有一種常見的錯誤認識，那就是：它是線性的。但是，不應該想當然地認為基準的漂移量在較小的溫度范圍內(nèi)就會較小。溫度系數(shù) (TC) 通常是用一種“箱形法”來規(guī)定，以表達整個工作溫度范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的誤差情況。它是通過劃分整個溫度范圍內(nèi)的最小-最大電壓差，并除以總溫度范圍來計算的 (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 遠遠大于針對整個規(guī)定溫度范圍計算之平均值的區(qū)域。對于最謹慎調(diào)諧的基準 (這通?？赏ㄟ^其非常低的溫度漂移予以識別) 而言尤其如此，在此類基準中，已經(jīng)對線性漂移分量進行了補償，留下的是一個殘余非線性 TC。

圖 1：電壓基準溫度特性

溫度漂移性能規(guī)格的最佳用途是，計算所規(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算誤差，一般是不可取的，除非非常了解溫度漂移特性。

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

熱遲滯是一項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)上是機械變化引起的，由于熱循環(huán)導致芯片應力改變而產(chǎn)生。經(jīng)過一個大的溫度周期后，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)和時間漂移影響，降低了初始電壓校準的有效性。

在接下來的溫度周期中，大多數(shù)基準都會圍繞標稱輸出電壓變化，因此熱遲滯通常限制到一個可預測的最大值上。每個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。估計輸出電壓誤差時，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，一類新的電壓基準進入了市場。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)品的長期穩(wěn)定性和熱遲滯性能都有顯著改進。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)

·負載調(diào)節(jié)

·壓差電壓

·電源范圍

·電源電流

基準類型

大多數(shù)電壓基準是串聯(lián) (圖 2) 或并聯(lián) (圖 3) 型的。串聯(lián)型基準是 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。串聯(lián)型基準在很寬的電源電壓范圍內(nèi)消耗大小相對固定的電源電流，僅當負載需要時，才提供負載電流。這使串聯(lián)型基準非常適合電源電壓或負載電流變化較大的電路。ADI 公司提供的串聯(lián)型基準包括 LT6654、LTC6655、LT6656 等。

圖 2：并聯(lián)型電壓基準

圖 3：串聯(lián)型電壓基準

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

并聯(lián)基準的優(yōu)勢包括設計簡單、封裝小巧以及寬電流和負載范圍內(nèi)的上佳穩(wěn)定性。此外，它們還可容易地設計為負電壓基準，并能采用非常高的電源電壓 (因為外部電阻器承載了大部分電壓) 或非常低的電源 (因為輸出可低至電源以下幾 mV)。產(chǎn)品實例包括 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)型電壓基準運行。

選擇基準

現(xiàn)在我們來考慮，下次選擇電壓基準時，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)型基準也許是最佳選擇。另一方面，如果電源電壓或負載電流預計變化范圍很大，那么串聯(lián)型基準也許是更好的選擇。

計算基準的總體準確度時，要考慮應用要求的精確度。要乘以溫度漂移和電壓基準的規(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)。要了解總體準確度，就要通盤考慮初始精度誤差、熱遲滯和產(chǎn)品預期壽命期內(nèi)的長期漂移。對于要求最嚴格的應用而言，還可以加上噪聲、電壓調(diào)節(jié)和負載調(diào)節(jié)誤差。例如，一個 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 長期穩(wěn)定性的基準，總體不確定性在電路構(gòu)建時超過 4300ppm。在電路加電后的第一個 1000 小時中，這種不確定性增加 50ppm。初始精度可以校準，因此誤差可降至 3300ppm + 50ppm x √(t/1000 小時)。

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

基準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。嚴密注意安裝方法和擺放位置可以最大限度減小應力及相關的不準確度。參見 ADI 提供的應用指南 (Application Note) AN82 (Understanding and Applying Voltage References) 以了解和使用電壓基準，并獲得更詳細的信息。

結(jié)論

選擇電壓基準時，需要全面了解系統(tǒng)對準確度的要求，在計算中考慮到所有相關誤差源。除了初始精度和溫度漂移，長期穩(wěn)定性和遲滯也是重要的誤差來源。負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產(chǎn)品，以滿足幾乎任何應用的需求。