精密電壓基準(zhǔn)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之所以是一個(gè)難題，原因之一是系統(tǒng)精度很大程度上依賴于內(nèi)部或外部DC電壓基準(zhǔn)所建立的電壓的精度。電壓基準(zhǔn)用來產(chǎn)生一個(gè)精確的輸出電壓，以此為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿量輸入。在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）中，DC電壓基準(zhǔn)與模擬輸入信號(hào)一起用于產(chǎn)生數(shù)字化的輸出信號(hào)。在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）中，DAC根據(jù)呈現(xiàn)在DAC輸入端上的數(shù)字輸入信號(hào)，從DC基準(zhǔn)電壓選擇和產(chǎn)生模擬輸出。在工作溫度范圍內(nèi)的基準(zhǔn)電壓的任何誤差將影響ADC/DAC的線性度和無寄生動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。實(shí)際上所有電壓基準(zhǔn)隨時(shí)間或環(huán)境因數(shù)（如濕度，氣壓，溫度）變化。因此，大多數(shù)CMOS ADC/DAC都具有只適用于≤12位分辨率應(yīng)用的內(nèi)部基準(zhǔn)，盡管轉(zhuǎn)換器可以有較高的分辨率。新型CMOS轉(zhuǎn)換器工作電壓為3.3V或5V，這就限制片上電壓基準(zhǔn)只能用帶隙基準(zhǔn)?？科咸峁┑耐獠炕鶞?zhǔn)引腳，外部精密基準(zhǔn)也可連接到CMOS ADC或DAC。精密外部電壓基準(zhǔn)與片上帶隙電壓基準(zhǔn)相比，具有較低的溫度系數(shù)、熱遲滯和長(zhǎng)期漂移。所以在需要高精度（14位或16位ADC/DAC）的應(yīng)用中，往往需要一個(gè)外部精密電壓基準(zhǔn)。

已經(jīng)有了某工作溫度范圍內(nèi)各種精度和初始精度的精密電壓基準(zhǔn)。但在制造商數(shù)據(jù)表中往往不能明顯知道器件的其他關(guān)鍵參量（如輸入電壓調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率，初始電壓誤差，輸出電壓溫度系數(shù)（TC），輸出電壓噪聲，導(dǎo)通建立時(shí)間，熱遲滯，靜態(tài)電源電流和長(zhǎng)期穩(wěn)定性）如何影響器件的初始精度。

設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)

新式電壓基準(zhǔn)是用集成晶體管的帶隙，掩埋齊納二極管和結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管設(shè)計(jì)的。每種技術(shù)具有固有的性能特性，并可用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)或附加的有源電壓來提高其性能特性。帶隙，掩埋齊納二極管和XFET基準(zhǔn)的基本電路結(jié)構(gòu)分別示于圖1，圖2和圖3。

帶隙基準(zhǔn)

帶隙基準(zhǔn)最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是用兩個(gè)晶體管，用不同的發(fā)射極面積產(chǎn)生正比于絕對(duì)溫度的電壓。VBE1和VBE2具有相反的溫度系數(shù)。電壓Vcc變換為電流I1和I2，I1和I2被鏡象反映到輸出支路，輸出方程為：

Vo=VBE1+λ(VBE1-VBE2) (1)

式中λ是比例因子，VBE1是第一個(gè)晶體管的基極——發(fā)射極電壓，VBE2是第二個(gè)晶體管的基極——發(fā)射極電壓。

帶隙基準(zhǔn)廣泛用在ADC/DAC轉(zhuǎn)換器中以及外部基準(zhǔn)源，因?yàn)樗喈?dāng)便宜。通常，帶隙基準(zhǔn)用在需要最高10位精度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。帶隙基準(zhǔn)一般具有0.5～1.0%初始誤差和25～50ppm/℃ TC。輸出電壓噪聲一般為15～30μVp-p(0.1～10Hz)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性為20～30ppm/1000小時(shí)。

齊納基準(zhǔn)

圖2所示的齊納電壓基準(zhǔn)及其反饋放大器用于提供非常穩(wěn)定的輸出。用電流源偏置6.3V的齊納二極管。齊納電壓由電阻網(wǎng)絡(luò)R1和R2分壓。此電壓加到運(yùn)放的非倒相輸入端，并被放大到所需要的輸出電壓。放大器增益由電阻網(wǎng)絡(luò)R3和R4確定，即增益G=1+R4/R3。用了6.3V齊納二極管，因?yàn)樗鼘?duì)時(shí)間和溫度是最穩(wěn)定的齊納二極管。

輸出方程式為：



掩埋齊納二極管基準(zhǔn)比帶隙基準(zhǔn)昂貴，但能提供更高的性能。典型的初始誤差為0.01～0.04%，TC為1～10ppm℃，噪聲低于10μVp-p(0.1～10Hz)。長(zhǎng)期穩(wěn)定性典型值為6～15ppm/1000小時(shí)。基于掩埋齊納的基準(zhǔn)經(jīng)常用在12位、14位和較高分辨率的系統(tǒng)中，因?yàn)榛谘诼颀R納基準(zhǔn)的性能可通過設(shè)計(jì)中包含非線性溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)而得到提高。在幾個(gè)溫度點(diǎn)上微調(diào)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可使其電性能在工作范圍達(dá)到最佳。

xFET基準(zhǔn)

xFET是一種新的基準(zhǔn)技術(shù)，它由兩個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管組成，其中一個(gè)多加一次溝道注入來提高夾斷電壓。兩個(gè)JFET工作在胡同的漏極電流下。把夾斷電壓之差進(jìn)行放大，用來形成電壓基準(zhǔn)。方程式是：



式中ΔVp是兩個(gè)FET夾斷電壓之差，IPTAT是正溫度系數(shù)校正電流。
簡(jiǎn)化的xFET基準(zhǔn)電路圖示于圖3。

xFET基準(zhǔn)是相當(dāng)新的，它的性能水平處在帶隙和齊納基準(zhǔn)之間。典型的初始誤差為0.06%，TC為10ppm/℃，噪聲為15μVp-p(0.1～10Hz)。長(zhǎng)期穩(wěn)定性為0.2ppm/1000小時(shí)。

14位轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)選擇

對(duì)電壓基準(zhǔn)規(guī)定的參量包括輸入電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、初始電壓誤差，輸出電壓溫度系數(shù)（TC）、輸出電壓噪聲、導(dǎo)通建立時(shí)間、熱遲滯、靜態(tài)電源電流和長(zhǎng)期穩(wěn)定度。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)最主要的參量是電壓基準(zhǔn)器件的初始誤差、輸出電壓溫度系數(shù)（TC）、熱遲滯、噪聲和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

表1列出在本應(yīng)用中進(jìn)行比較的三種基準(zhǔn)的主要誤差源。數(shù)據(jù)表示了在工業(yè)溫度范圍（-40℃～+85℃）內(nèi)8引腳DIP封裝的每種相應(yīng)型號(hào)最高級(jí)別。最壞性能基準(zhǔn)是帶隙型，未包括在表1中。掩埋齊納二極管的總性能優(yōu)于帶隙器件和xFET基準(zhǔn)。帶3階溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的掩埋齊納基準(zhǔn)（VRE3050）對(duì)于初始誤差、TC和熱遲滯來講是最好的。

表1 電壓基準(zhǔn)的主要誤差源

注：表中VRE3050，MAX6205和ADR293分別為Thaler Corg，Maxim和Analog Devices公司的產(chǎn)品。

參量說明

初始誤差——在器件加電和升溫之后基準(zhǔn)的輸出電壓容限。它通常不加負(fù)載測(cè)量。在很多應(yīng)用中，初始誤差是最重要的指標(biāo)。儀器制造商往往規(guī)定嚴(yán)格的初始誤差，所以在組裝之后不必進(jìn)行室溫系統(tǒng)校正。

溫度系數(shù)（TC）——溫度變化所引起的輸出電壓變化，通常用ppm/℃表示。它是僅次于初始精度的第二個(gè)最重要性能指標(biāo)。對(duì)于很多儀器制造商，當(dāng)電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)小于2ppm/℃時(shí)不必進(jìn)行系統(tǒng)溫度校正（一種耗時(shí)又費(fèi)錢的過程）。在三種關(guān)于TC規(guī)范的方法（斜率、蝶形和盒式）中，盒式方法是最通用的。盒式方法由工作溫度范圍內(nèi)額定輸出電壓的最小/最大值構(gòu)成。其方程式為：



此方法更精確地保持與測(cè)試方法的一致性，并提供比其他方法更接近于實(shí)際誤差的估算。盒式方法保證了溫度誤差的范圍但沒有規(guī)定被測(cè)器件的形狀和斜率。假定在工業(yè)溫度范圍內(nèi)TC為0.6ppm/℃的一個(gè)5V基準(zhǔn)，則由盒式計(jì)算方法得出的曲線示于圖4。

在工業(yè)溫度范圍（-40℃～+85℃）內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)14位精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將需要TC為1.0ppm/℃的電壓基準(zhǔn)（假若允許基準(zhǔn)引起的誤差相當(dāng)于1LSB）。如果基準(zhǔn)引起1/2 LSB等效誤差，將需要電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)為0.5ppm/℃。圖5示出所需基準(zhǔn)的TC與ΔT變化的關(guān)系曲線（在25℃處，分辨率范圍8位～20位）。

熱遲滯——由溫度變化而引起的輸出電壓變化。當(dāng)基準(zhǔn)經(jīng)受溫度變化并返回到初始溫度時(shí)，基準(zhǔn)不總是具有相同的初始輸出電壓。熱遲滯難以校正，它是經(jīng)受溫度變化在25℃及以上的系統(tǒng)中的一個(gè)重要誤差源。電壓基準(zhǔn)制造商正開始把此重要指標(biāo)包含在數(shù)據(jù)表中。

噪聲（I/f和寬帶）——在電壓基準(zhǔn)輸出端的電噪聲。它可包括寬帶熱噪聲和窄帶I/f噪聲。寬帶噪聲可有效地用簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò)濾除。I/f噪聲是基準(zhǔn)中固有的而不可能濾掉。此噪聲規(guī)定在0.1～10Hz范圍內(nèi)。低I/f噪聲的基準(zhǔn)在精密設(shè)計(jì)中是重要的。

長(zhǎng)期漂移——數(shù)日工作期間所發(fā)生的輸出電壓的慢變化。長(zhǎng)期漂移通常用ppm/1000小時(shí)表示。在齊納基準(zhǔn)中，長(zhǎng)期漂移典型值為6ppm/1000小時(shí)，并隨時(shí)間呈指數(shù)減小。額外的基準(zhǔn)溫度老化可加速齊納基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。XFET基準(zhǔn)具有極好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性-0.2ppm/1000小時(shí)。

導(dǎo)通建立時(shí)間——在加電之后規(guī)定的一段時(shí)間間隔內(nèi)的電壓變化。大多數(shù)基準(zhǔn)在10μs之內(nèi)穩(wěn)定到0.1%。導(dǎo)通建立時(shí)間對(duì)于便攜電池式系統(tǒng)是重要的，便攜電流式系統(tǒng)通過短時(shí)對(duì)電路供電以節(jié)省能源。

輸入電壓調(diào)整率——輸入電壓變化所產(chǎn)生的誤差。此dC指標(biāo)不包括紋波電壓或輸入電壓瞬態(tài)的影響。

負(fù)載調(diào)整率——由負(fù)載電流變化所產(chǎn)生的誤差。像輸入電壓調(diào)整一樣，此dC指標(biāo)不包括負(fù)載瞬態(tài)的影響。

PCB布局——不好的印刷電路板布局可嚴(yán)重的影響基準(zhǔn)的性能。不好的布局可影響器件的輸出電壓、噪聲和熱性能。PCB中的固有應(yīng)力也可傳遞到基準(zhǔn)并改變輸出電壓。

結(jié)語

本文說明了對(duì)于高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在選擇外部基準(zhǔn)之前對(duì)一些關(guān)鍵參量必須進(jìn)行評(píng)估。XTET基準(zhǔn)適合于保持恒溫和要求基準(zhǔn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性好的系統(tǒng)。在工業(yè)工作溫度范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)14位轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時(shí)應(yīng)選用VFRE3050基準(zhǔn)較佳，因?yàn)閂RE3050具有較好的初始誤差、TC和熱遲滯性能。