電壓基準(zhǔn)芯片的性能分析及應(yīng)用介紹

電壓基準(zhǔn)芯片是一類高性能模擬芯片，常用在各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集。幾乎所有電壓基準(zhǔn)芯片都在為實(shí)現(xiàn)“高精度”而努力,但要在各種不同應(yīng)用場合真正實(shí)現(xiàn)高精度，則需要了解電壓基準(zhǔn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各項(xiàng)參數(shù)的涵義，并要掌握一些必要的應(yīng)用技巧。

　電壓基準(zhǔn)芯片的分類

　　根據(jù)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不同，電壓基準(zhǔn)分為：帶隙電壓基準(zhǔn)和穩(wěn)壓管電壓基準(zhǔn)兩類。帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是將一個(gè)正向偏置PN結(jié)和一個(gè)與VT（熱電勢）相關(guān)的電壓串聯(lián)，利用PN結(jié)的負(fù)溫度系數(shù)與VT的正溫度系數(shù)相抵消實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。穩(wěn)壓管電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是將一個(gè)次表面擊穿的穩(wěn)壓管和一個(gè)PN結(jié)串聯(lián)，利用穩(wěn)壓管的正溫度系數(shù)和PN結(jié)的負(fù)溫度系數(shù)相抵消實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。次表面擊穿有利于降低噪聲。穩(wěn)壓管電壓基準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓較高(約7V)；而帶隙電壓基準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓比較低，因此后者在要求低供電電壓的情況下應(yīng)用更為廣泛。

　　根據(jù)外部應(yīng)用結(jié)構(gòu)不同，電壓基準(zhǔn)分為：串聯(lián)型和并聯(lián)型兩類。應(yīng)用時(shí)，串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)與三端穩(wěn)壓電源類似，基準(zhǔn)電壓與負(fù)載串聯(lián)；并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)與穩(wěn)壓管類似，基準(zhǔn)電壓與負(fù)載并聯(lián)。帶隙電壓基準(zhǔn)和穩(wěn)壓管電壓基準(zhǔn)都可以應(yīng)用到這兩種結(jié)構(gòu)中。串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)在于,只要求輸入電源提供芯片的靜態(tài)電流，并在負(fù)載存在時(shí)提供負(fù)載電流；并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)則要求所設(shè)置的偏置電流大于芯片的靜態(tài)電流與最大負(fù)載電流的總和，不適合低功耗應(yīng)用。并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)在于，采用電流偏置，能夠滿足很寬的輸入電壓范圍，而且適合做懸浮式的電壓基準(zhǔn)。

　　電壓基準(zhǔn)芯片參數(shù)解析

　　安肯（北京）微電子即將推出的ICN25XX系列電壓基準(zhǔn)，是一系列高精度，低功耗的串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)，采用小尺寸的SOT23-3封裝，提供1.25V、2.048V、2.5V、3.0V、3.3V、4.096V輸出電壓,并提供良好的溫度漂移特性和噪聲特性。

　　圖1. 串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)芯片和并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)芯片示意圖

　　表1列出了電壓基準(zhǔn)芯片與精度相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)。首先要考慮輸出電壓的初始精度。不同型號的電壓基準(zhǔn)芯片，初始精度可能從0.02%變化到1%。這就意味著它們能夠達(dá)到不同的系統(tǒng)精度，0.02%能夠適應(yīng)12位的系統(tǒng)精度，1%只能夠適應(yīng)6位的系統(tǒng)精度。對于不能自行校準(zhǔn)的系統(tǒng)，需要根據(jù)精度要求選擇初始精度合適的芯片。多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以通過軟件或硬件校準(zhǔn)調(diào)整初始精度誤差，因此初始精度并不是限制電壓基準(zhǔn)芯片應(yīng)用的主要因素。

　　表1.電壓基準(zhǔn)芯片的主要參數(shù)。

　　輸出電壓的溫度漂移系數(shù)是衡量電壓基準(zhǔn)芯片性能的一個(gè)重要參數(shù)。它代表一個(gè)平均量，可以通過這個(gè)參數(shù)估算芯片輸出電壓在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的變化范圍，這個(gè)參數(shù)不代表某一特定溫度點(diǎn)的輸出電壓隨溫度變化的斜率。由溫度漂移導(dǎo)致的精度誤差很難通過系統(tǒng)校準(zhǔn)的方法來減小。

　　ICN25XX系列電壓基準(zhǔn)芯片采用專利的補(bǔ)償電路和修調(diào)電路實(shí)現(xiàn)了良好的溫度漂移特性：在-40?C到125?C溫度范圍內(nèi)，溫度漂移系數(shù)小于10ppm/?C。圖2為測試得到的典型溫度漂移曲線。

　　圖2. ICN2520 典型溫度漂移曲線

　　電壓基準(zhǔn)芯片的輸出電壓會(huì)隨著使用時(shí)間增加而變化，通常是朝一個(gè)方向按指數(shù)特性變化，使用時(shí)間越長，變化越小，因此以公式1為單位表示電壓基準(zhǔn)芯片的長期穩(wěn)定性，以反映輸出電壓變化量隨使用時(shí)間指數(shù)衰減。長期穩(wěn)定性是在幾個(gè)月甚至幾年的使用過程中體現(xiàn)出來的，很難通過出廠時(shí)的測試來保證。有些芯片會(huì)在出廠前經(jīng)過一段時(shí)間的老化測試以保證較好的長期穩(wěn)定性。定期對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，可以避免長期穩(wěn)定性帶來的誤差。對于無法定期校準(zhǔn)的系統(tǒng)，就要選用具有良好的長期穩(wěn)定性的電壓基準(zhǔn)芯片。采用金屬殼封裝的芯片，由于排除了封裝應(yīng)力的影響，因而一般具有更好的長期穩(wěn)定性。

　　噪聲是衡量電壓基準(zhǔn)芯片的性能的另一個(gè)重要參數(shù)。通常在0.1Hz到10Hz和10Hz到10kHz兩個(gè)頻率范圍內(nèi)給出噪聲參數(shù)，以便設(shè)計(jì)者估算電壓基準(zhǔn)在所關(guān)注的頻率范圍內(nèi)的噪聲。輸出噪聲通常與輸出電壓成比例，以ppm為單位。0.1Hz到10Hz的噪聲主要是閃爍噪聲，或稱為公式2噪聲，其噪聲幅度與頻率成反比，一般會(huì)給出這一頻率范圍內(nèi)噪聲的峰峰值（P-P）。不同半導(dǎo)體器件的閃爍噪聲特性差別很大，例如MOSFET的閃爍噪聲比較大，而雙極型晶體管的閃爍噪聲則要小得多，次表面擊穿的穩(wěn)壓管閃爍噪聲也很小，因此采用不同工藝設(shè)計(jì)的電壓基準(zhǔn)芯片，低頻噪聲特性差別會(huì)比較大。

　　圖3. ICN2520電壓基準(zhǔn)芯片的噪聲特性曲線

　　10Hz到10kHz頻率范圍以及高于這個(gè)頻率范圍的噪聲主要是熱噪聲，在有效帶寬內(nèi)頻率特性基本上是平坦的，通過給出的噪聲有效值（rms）可以很容易估算出某一頻率范圍內(nèi)的熱噪聲。增大電流可以有效降低噪聲，因此優(yōu)良的噪聲特性往往是以犧牲功耗為代價(jià)的。用戶可以在電壓基準(zhǔn)輸出端添加濾波電容或其他濾波電路限制噪聲帶寬，以改善噪聲特性，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　ICN25XX系列電壓基準(zhǔn)芯片采用特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，達(dá)到了CMOS工藝通常很難實(shí)現(xiàn)的低噪聲水平：0.1Hz到10Hz為13ppm（P-P）；10Hz到10kHz為32ppm（rms）；而且還保持了CMOS工藝的功耗優(yōu)勢，靜態(tài)電流僅為75A。

　　某些應(yīng)用對電壓基準(zhǔn)芯片的瞬態(tài)特性會(huì)有要求。瞬態(tài)特性包括三個(gè)方面：上電建立時(shí)間、小信號輸出阻抗（高頻）、大信號恢復(fù)時(shí)間（動(dòng)態(tài)負(fù)載）。不同廠商推出的電壓基準(zhǔn)芯片的瞬態(tài)特性可能區(qū)別很大，良好的瞬態(tài)特性往往也是以犧牲功耗為代價(jià)的。ICN25XX系列電壓基準(zhǔn)內(nèi)部集成緩沖放大器，采用特殊結(jié)構(gòu)，能夠提供良好的瞬態(tài)特性、線性調(diào)整率及負(fù)載調(diào)整率，并能夠保證很大輸出濾波電容范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。