整合眾多特點和性能以解決數(shù)據(jù)采集兼容性問題

ADI公司 Power by Linear?信號調(diào)理產(chǎn)品部?設(shè)計經(jīng)理?Brendan Whelan

現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集和信號發(fā)生系統(tǒng)既復(fù)雜又精細(xì)。幾十年的 IC 和應(yīng)用開發(fā)以及一代又一代設(shè)計已經(jīng)優(yōu)化了性能和眾多優(yōu)點，同時使性能不斷提高、優(yōu)點不斷增多。新的設(shè)計必須憑借精心挑選的性能、尺寸、電源范圍、穩(wěn)定性以及更多優(yōu)點，實現(xiàn)與之前設(shè)計的差異化。同時，DAC、ADC、電壓基準(zhǔn)等高性能集成電路的性能已經(jīng)被推進(jìn)到了極限。關(guān)于電壓基準(zhǔn)，常常必須在精確度和眾多優(yōu)點之間做出設(shè)計選擇。當(dāng)需要最高性能時，就有可能缺乏靈活性和兼容性。

過去，精確度最高和最穩(wěn)定的系統(tǒng)一直是用深埋齊納基準(zhǔn)設(shè)計的，如圖 1 所示。齊納基準(zhǔn)的低漂移、高穩(wěn)定性和低噪聲使系統(tǒng)能夠既提供很大的動態(tài)范圍，又具備良好的穩(wěn)定性。然而，齊納基準(zhǔn)一般不適合大多數(shù)新系統(tǒng)。齊納基準(zhǔn)需要很高的電源電壓才能運行，而且很多采用齊納基準(zhǔn)的設(shè)計都僅針對特定系統(tǒng)而優(yōu)化，例如電源電壓高于 10V、可用電路板面積很大以及負(fù)載阻抗已經(jīng)完全了解的系統(tǒng)。對很多新設(shè)計而言，這些假定很少適用。此外，采用齊納架構(gòu)的基準(zhǔn)一直以來幾乎沒有什么新發(fā)展，因此，齊納基準(zhǔn)極少提供更常用且低于 5V （例如 4.096V、2.5V 和 1.25V） 的基準(zhǔn)電壓。

圖 1：用 LT1236 實現(xiàn)大動態(tài)范圍系統(tǒng)

相比之下，要獲得結(jié)合的優(yōu)點和性能，帶隙電壓基準(zhǔn)一直是最佳選擇。與齊納架構(gòu)相比，帶隙架構(gòu)盡管犧牲了一些穩(wěn)定性，卻有可能用來設(shè)計出具備很多優(yōu)點的基準(zhǔn)，包括低壓差、寬溫度范圍、低功率、小尺寸、寬工作范圍和寬負(fù)載電流范圍等優(yōu)點。由于這些優(yōu)點，已經(jīng)產(chǎn)生了大量高性能 LDO 穩(wěn)壓器和精確的電壓基準(zhǔn)。相對低的、約為 1.2V 的帶隙電壓為設(shè)計提供各種電壓的產(chǎn)品帶來了方便，包括 1.25V、2.048V、2.5V、3V、3.3V、4.096V、5V 和 10V。另外，這樣的帶隙電壓還允許用僅比輸出電壓高幾毫伏的電源運行，如圖 2 所示。

圖 2：低功率、低壓差電壓基準(zhǔn)電路

0V TO 5V OUTPUT：0V 至 5V 輸出

就電壓基準(zhǔn)而言，最大的誤差通常是由溫度系數(shù) （TC） 引起的。對很多精確的系統(tǒng)而言，具 20ppm/oC 溫度系數(shù)的電壓基準(zhǔn)就是合適的。然而，在工業(yè)溫度范圍內(nèi) （-40oC 至 85oC），這樣的溫度系數(shù)會導(dǎo)致 2500ppm 或 0.25% 的最大誤差。相比之下，由初始準(zhǔn)確度 （0.1%）、熱遲滯 （通常約為 100ppm） 和長期漂移 （50ppm/√（kHr） 引起的誤差很小。盡管這樣的溫度系數(shù)對很多工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)而言足夠了，但是諸如測試和測量等精確應(yīng)用以及寬溫度范圍汽車應(yīng)用卻需要更高的穩(wěn)定性。

隨著時間推移，帶隙基準(zhǔn)的性能也得到了提高，在有些情況下，其穩(wěn)定性和噪聲性能超過了掩埋齊納基準(zhǔn)。新的架構(gòu)、工藝和制造方法進(jìn)一步推進(jìn)了精確度和穩(wěn)定性的極限。以前，“精確的”帶隙基準(zhǔn)溫度系數(shù)也許為 20-50ppm/oC，而較新的產(chǎn)品則提供低于 5ppm/oC 的溫度穩(wěn)定性。同時，眾多優(yōu)點得以保留或得到了改進(jìn)。

例如 LT6657，這是一款高精確度帶隙電壓基準(zhǔn)。LT6657 帶來了一種新的選擇，在提供最高精確度的同時，還為滿足多種系統(tǒng)需求及限制保留了極大的靈活性。

LT6657 的溫度系數(shù)為 1.5ppm/°C，是溫度系數(shù)最低的帶隙電壓基準(zhǔn)。高階溫度補償可隨溫度變化保持很低和可預(yù)測的輸出電壓誤差 （圖 3），同時最新制造方法確保器件之間、批次之間具有一致的性能。為確保每個器件都滿足該高性能水平，LT6657 的溫度系數(shù)由 100% 的五溫度測試提供保證。在 -40°C 至 125°C 溫度范圍內(nèi)，LT6657 確保由溫度漂移引起的誤差低于 250ppm。

圖 3：LT6657 溫度漂移

OUTPUT VOLTAGE CHANGE （NORMALIZED）：輸出電壓變化 （歸一化）

THREE TYPICAL PARTS：3 種典型器件

1ppm/°C BOX：1ppm/°C 區(qū)域

TEMPERATURE：溫度

應(yīng)該提到的是，圖 3 中包括一個指示 1ppm/°C 誤差的區(qū)域。典型的 LT6657 器件完全位于這個區(qū)域之內(nèi)，因此在針對 1.5ppm/oC 這一限制進(jìn)行自動化生產(chǎn)測試時，能夠達(dá)到合理的產(chǎn)量。

除了總體穩(wěn)定性這個優(yōu)點以外，還有低溫度遲滯和出色的長期漂移穩(wěn)定性這兩個優(yōu)點。這些衡量標(biāo)準(zhǔn)可以用來預(yù)測，隨著時間和溫度周期變化，系統(tǒng)將怎樣良好地保持在性能規(guī)格限制之內(nèi)。就位于偏僻之處或難以校準(zhǔn)的系統(tǒng)而言，較低的熱遲滯和長期漂移意味著較少的校準(zhǔn)工作，從而節(jié)省了時間和費用。盡管電氣表格中的典型值提供了有用的指導(dǎo)，但是這些值代表的是平均值、偏差還是單個器件，卻不清楚。凌力爾特公司提供了大量數(shù)據(jù)，以在利用電壓基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計時提供有意義的指導(dǎo)。LT6657 數(shù)據(jù)表中提供了長期漂移和遲滯分布數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)顯示，LT6657的長期漂移和遲滯都很低，而且很一致。

電壓基準(zhǔn)性能的另一個方面是噪聲。很多系統(tǒng)對溫度或老化等長期漂移是不敏感的，但是要求噪聲非常低，以提供高分辨率測量。LT6657 的噪聲性能可與一些最好的低噪聲掩埋齊納基準(zhǔn)相媲美。噪聲僅為 0.5ppm，適合很多大動態(tài)范圍系統(tǒng)。在 0.1Hz 至 10Hz 范圍內(nèi)，就一個 2.5V 基準(zhǔn)電壓而言，LT6657 僅產(chǎn)生 1.25μV 峰值至峰值噪聲。寬帶噪聲也很低，為 0.8ppm （2μV） RMS，直至 1kHz。該器件的低噪聲使其非常適合要求大動態(tài)范圍和非常低噪聲的系統(tǒng)。一個 5V 滿標(biāo)度輸入的 20 位轉(zhuǎn)換器具僅為 4.8μV （~1ppm） 的 LSB，這說明了這種低噪聲的重要性。

除了低溫度漂移、高穩(wěn)定性和低噪聲，LT6657 還有進(jìn)一步的優(yōu)點。LT6657 僅需要 50mV 電壓空間就可運行。無 DC 負(fù)載時，可用不到 2.6V 的電源給一個 2.5V 基準(zhǔn)供電，或者在有很重的 DC 負(fù)載電流時，可用不到 3V 的電源供電。在電壓調(diào)節(jié)誤差低于 1ppm/V 和紋波抑制非常出色的情況下，電源范圍可擴展到 40V，從而能夠靈活地用幾乎任何可用電源給基準(zhǔn)供電，這與齊納基準(zhǔn)相比是一個突出的不同之處。

就像大多數(shù)凌力爾特最近推出的電壓基準(zhǔn)產(chǎn)品一樣，LT6657 隨頻率變化呈現(xiàn)了很低的輸出阻抗。這減輕了負(fù)載隨頻率變化的影響，有助于防止負(fù)載端的信號反饋給基準(zhǔn)并引起干擾、誤差或噪聲。當(dāng)驅(qū)動高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 或需要成功通過諸如汽車系統(tǒng)中的大電流注入等運行測試時，這個優(yōu)點對基準(zhǔn)穩(wěn)定至關(guān)重要。此外，LT6657 專為驅(qū)動大輸出電容而設(shè)計。鑒于許多高性能 ADC 在采樣期間從電壓基準(zhǔn)吸收大的電荷注入電流，因此把快速穩(wěn)定和通過設(shè)計以在驅(qū)動一個大的電荷儲存電容器時保持穩(wěn)定之能力組合起來，使該電壓基準(zhǔn)在最大限度發(fā)揮高動態(tài)范圍轉(zhuǎn)換器之最佳性能方面擁有了一項優(yōu)勢。

LT6657 還具備充足的驅(qū)動能力，可提供和吸收高達(dá) 10mA 負(fù)載電流，且負(fù)載調(diào)節(jié)誤差低于每毫安 1ppm。這種負(fù)載驅(qū)動能力使 LT6657 能夠偏置各種傳感器、驅(qū)動難以驅(qū)動的 ADC 基準(zhǔn)輸入、驅(qū)動多個 ADC 和 DAC，或者以基準(zhǔn)級精確度給小型子系統(tǒng)供電。這種很少被利用的能力可幫助系統(tǒng)設(shè)計師在一些小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中合并電源和基準(zhǔn)功能，充分利用電路板面積和功耗。ADC 或 DAC 的電源和基準(zhǔn)使用相同的電壓是比較理想的情況，另外 LT6657 的小型 MSOP 封裝也進(jìn)一步節(jié)省了空間。此外，LT6657 包括電流和過熱保護(hù)，以避免在故障情況下由于過載而損壞。

最后，LT6657 可作為并聯(lián)基準(zhǔn)運行。并聯(lián)模式運行的一個好處是，能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)壓基準(zhǔn)。并聯(lián)模式運行還允許 LT6657 用非常高的電源電壓工作，或者以最低壓差電壓運行。圖 4 顯示了 LT6657 的正并聯(lián)配置。

圖 4：LT6657 的并聯(lián)模式配置

圖 5 顯示，LT6657 用于低噪聲、精確的 20 位 ADC 應(yīng)用。在這種情況下，LT6657 的低噪聲、低溫度漂移和高穩(wěn)定性允許使用高精確度 ADC，例如性能更高的 LTC2378-20，但不會像較舊的掩埋齊納解決方案那樣增大了所需電路板面積和電源電壓空間。

圖 5：低噪聲、精確的 20 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

總之，LT6657 提供高精確度、低噪聲和高穩(wěn)定性，該器件還具備很多優(yōu)點，這些優(yōu)點使得 LT6657 具備很高的靈活性。該器件的眾多優(yōu)點使系統(tǒng)設(shè)計能夠提高功率和電路板面積利用率、與多種電源電壓和環(huán)境條件兼容并能夠?qū)崿F(xiàn)最高的精確度、穩(wěn)定性和最大的動態(tài)范圍。這個突破性電壓基準(zhǔn)的眾多優(yōu)點和高性能與高制造質(zhì)量相結(jié)合，使該器件能夠適應(yīng)很多應(yīng)用電路。