以高性能電壓基準為信號鏈設(shè)定高標準的“規(guī)矩”

古人言“沒有規(guī)矩不成方圓”，此“規(guī)矩”是古人畫圓形和方形的兩種工具，比喻一定的標準、法則。而在電路的虛擬世界，這種“規(guī)矩”也很重要，是實現(xiàn)模擬與數(shù)字世界的基礎(chǔ)——數(shù)字世界所有電子設(shè)備都必須以某種方式與真實世界交互，電子設(shè)備必須能夠?qū)⒄鎸嵤澜缬成涞诫娮邮澜缰械目蓽y的量（電壓）。要測量電壓，你也需要一個“規(guī)矩”——衡量標準，該標準就是基準電壓，電壓基準源的作用即是將數(shù)據(jù)采集與真實世界進行關(guān)聯(lián)。電壓基準源是一個可產(chǎn)生穩(wěn)定、精確直流電壓的器件，一般用于ADC、DAC和其他模擬電路精確的參考電壓設(shè)定。

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。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、電壓基準等高性能集成電路的性能已經(jīng)被推進到了極限。關(guān)于電壓基準，常常必須在精確度和眾多優(yōu)點之間做出設(shè)計選擇。當需要最高性能時，就有可能缺乏靈活性和兼容性。

電壓基準源的作用：將數(shù)據(jù)采集與真實世界進行關(guān)聯(lián)

毫無疑問，“規(guī)矩”是標準性決定了要求穩(wěn)定、準確。長期以來，在所有可用的電壓基準類型中，帶隙電壓基準因其特點與性能的組合，一直是最佳的選擇。過去，精確度最高和最穩(wěn)定的系統(tǒng)一直是用齊納基準設(shè)計的，齊納基準的低漂移、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，與掩埋式齊納基準相比，它們并未始終提供最佳的性能。或者，帶隙架構(gòu)使得設(shè)計具備眾多有用特點的基準成為可能，包括低壓差、寬溫度范圍、低功率、小尺寸、寬工作范圍和寬負載電流能力。因此，齊納基準一般不適合大多數(shù)新系統(tǒng)。齊納基準需要很高的電源電壓才能運行，而且很多采用齊納基準的設(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)的基準一直以來幾乎沒有什么新發(fā)展，因此，齊納基準極少提供更常用且低于 5V （例如 4.096V、2.5V 和 1.25V） 的基準電壓。

基于LT1236的深埋齊納基準設(shè)計

要獲得綜合的優(yōu)點和性能，帶隙電壓基準一直是最佳選擇。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，包括低壓差、寬溫度范圍、低功率、小尺寸、寬工作范圍和寬負載電流范圍等優(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。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，如下圖所示

基于串聯(lián)電壓基準LT6656的低功率、低壓差電壓基準電路

就電壓基準而言，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。下圖示出了溫度特性，曲線圖示出了一個 1ppm/°C 的方框。在寬溫度范圍內(nèi)，例如高精確度帶隙電壓基準LT6657 的輸出電壓完全處于該方框之內(nèi)，這容許在自動化生產(chǎn)中測試 1.5ppm/°C 規(guī)格指標。LT6657 在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內(nèi)規(guī)定了低漂移，在整個溫度范圍內(nèi)提供了 《250ppm 的最大保證誤差。

高階溫度補償在整個溫度范圍內(nèi)保持了低且可預(yù)知的輸出電壓誤差，而最先進的制造工藝則在器件之間和批次之間提供了一致的性能。為了確保裝運的每個 LT6657 都滿足這種高性能水平，LT6657 的溫度系數(shù)由 100% 的五溫度測試提供保證。

LT6657輸出電壓溫度曲線

可以做個比較，LTC6655 一直是市面上性能最高的帶隙電壓基準之一。其在 -40°C 至 125°C 的范圍內(nèi) 2ppm/°C 的漂移指標優(yōu)于幾乎任何其他電壓基準產(chǎn)品。和 LT6657 一樣，該性能指標難以在試驗臺上測試，而且要在制造過程中予以保證，是難以置信挑的戰(zhàn)性。

許多相似的產(chǎn)品可能通過特性分析或樣片測試來保證穩(wěn)定性，而 LTC6655 則利用 100% 的三溫度測試提供保證。制造過程中的這種謹慎度顯示了生產(chǎn)真正的高穩(wěn)定性產(chǎn)品所必須保持的質(zhì)量水準。與 LTC6655 相比，LT6657 更加穩(wěn)定，1.5ppm/°C 漂移，而且該性能是利用 100% 的五溫度測試給予保證的。

高性能應(yīng)用的遠程檢測電路中LT6657的穩(wěn)定性和低噪聲、低漂移受青睞

物理測量所用的電子設(shè)備常常遠離被測物理參數(shù)。例如，埋在卡車稱重站路面下方或橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)變計測量，不太可能位于讀取測量結(jié)果的電子設(shè)備旁邊，傳感器放在遠離檢測放大器的地方，要產(chǎn)生令人滿意的測量結(jié)果，對信號鏈設(shè)計提出了極大的挑戰(zhàn)，其中就包括對基準源性能的要求——穩(wěn)定性和低噪聲、低漂移受青睞。如上圖，儀表放大器LT6370放大正輸入端上的非常小的傳感器電壓，而負輸入端上是固定的低噪聲基準電壓，自基準電壓源 LT6657 產(chǎn)生。LT6657產(chǎn)生穩(wěn)定、低噪聲、低漂移的基準電壓，使整個電路不受電源電壓變化的影響。特別重要的是，LT6657的 1/f 噪聲很低，這點意義重大，因為電路的增益很大。

電壓基準源的基本特性：精度和穩(wěn)定性

除了實驗室儀表之外，LT6657還為汽車和擴展溫度工業(yè)應(yīng)用提供了新的精準水平。在整體穩(wěn)定性上增加的是低的熱遲滯和卓越的長期穩(wěn)定性，這些是衡量系統(tǒng)隨著時間推移和溫度循環(huán)將在規(guī)格限定的范圍內(nèi)保持何等水平。測試驗證表明，隨著時間推移和溫度循環(huán)所產(chǎn)生的漂移是很低而且一致。當這些特性表現(xiàn)良好時，可比較容易地在產(chǎn)品使用期限內(nèi)預(yù)測漂移。