為了充分利用物聯(lián)網(wǎng) (IoT),人們希望更快、更有效地連接模擬和數(shù)字世界。在這股熱潮中,人們極易忽略基準(zhǔn)電壓源所發(fā)揮的關(guān)鍵作用,然而此舉甚不明智?;鶞?zhǔn)電壓是模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)“判斷”模擬輸入值和輸出值的主要標(biāo)準(zhǔn),有助于確保信號和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度,但前提是基準(zhǔn)電壓源選擇適當(dāng)且應(yīng)用得當(dāng)。
本文簡要說明基準(zhǔn)電壓源的結(jié)構(gòu)和特性,并介紹基準(zhǔn)電壓源的選型。本文以Analog Devices的ADR43x系列為實(shí)例介紹基準(zhǔn)電壓源,說明新型電壓基準(zhǔn)的各種特性、增強(qiáng)功能及性能,以便設(shè)計(jì)人員善加利用以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。此外,本文還將展示 ADR43x 器件的應(yīng)用方法,如何將其保持在可接受限值范圍內(nèi),從而使 ADC、DAC 和系統(tǒng)作為一個整體來充分發(fā)揮潛力。發(fā)燒友公眾號回復(fù)資料和郵箱地址可以獲取電子資料一份。
基準(zhǔn)電壓源的關(guān)鍵作用
基準(zhǔn)電壓源的基本形式是一個三端子器件,分別連接電源軌、接地(公共)和精密輸出電壓(圖 1)。如果基準(zhǔn)源選型或應(yīng)用不當(dāng),就會獲得不準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓,從而影響轉(zhuǎn)換器輸出的有效性和可信度。
圖 1:基準(zhǔn)電壓源的基本形式是連接輸入電壓、輸出基準(zhǔn)電壓和接地(公共)的三端子器件,圖中所示為 Analog Devices 的LT6656系列中的LT6656AIS6-2.5器件。(圖片來源:Analog Devices)
根據(jù)標(biāo)稱輸出電壓、精度和容差及其他參數(shù)選擇合適的基準(zhǔn)源后,設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)在于如何使用該基準(zhǔn)源使指定性能完全滿足應(yīng)用要求,而不降低器件的性能。這一點(diǎn)的重要性不容小覷。如上所述,基準(zhǔn)電壓是 ADC 在將電壓信號數(shù)字化時判斷模擬輸入電壓的主要標(biāo)準(zhǔn)。而對于 DAC 而言,穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn)電壓源能讓轉(zhuǎn)換器生成與輸入數(shù)字代碼相對應(yīng)的精確模擬輸出電壓。
基準(zhǔn)源選型
固態(tài)基準(zhǔn)電壓源主要采用三種常用技術(shù):掩埋齊納二極管、利用晶體管 Vbe的帶隙基準(zhǔn)電壓源,以及 Analog Devices 的 XFET?配置,其中使用兩個結(jié)型場效應(yīng)管 (JFET) 串聯(lián)工作(美國專利號 5,838,192)。
雖然基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)人員可能會討論各種方法之間的細(xì)微差別和各自屬性(理由充分),但對于大多數(shù)基準(zhǔn)電壓源用戶而言,重點(diǎn)仍在于性能、利弊權(quán)衡、應(yīng)用和成本問題。本文采取的亦是這種觀點(diǎn)。
由于所使用技術(shù)的器件基本物理特性,基準(zhǔn)電壓源的內(nèi)部核心基準(zhǔn)電壓值可能比較“怪異”,但是基準(zhǔn)電壓源的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)旨在確保輸出電壓與轉(zhuǎn)換器分辨率匹配良好,并且能夠滿足系統(tǒng)需求。
例如,許多基準(zhǔn)源以系列產(chǎn)品上市,除輸出電壓值有所不同外,器件的其他性能均相同??蛇x擇的輸出電壓值如 2.048 V、2.5 V、3.0 V、4.096 V 和 5.0 V。其中,2.048 V 和 4.096 V 基準(zhǔn)電壓能夠“均勻”地映射到轉(zhuǎn)換器分辨率,因此這兩種規(guī)格最為常用;例如,使用 4.096 V 基準(zhǔn)源的 12 位轉(zhuǎn)換器的標(biāo)稱比例為 1 mV/離散間隔數(shù)。
初始基準(zhǔn)精度以百分比或毫伏為單位標(biāo)定;精度差異可能較大,因?yàn)槟承?yīng)用的精度要求比其他應(yīng)用高。通常,精度越高,實(shí)現(xiàn)和維持精度的難度越大;就典型基準(zhǔn)源規(guī)格而言,最大誤差為 ±0.1%(所有情況下適用)。然而,基礎(chǔ)拓?fù)鋵W(xué)與工藝技術(shù)的進(jìn)步使得這一規(guī)格得以改進(jìn)。例如,4.096 V 的 ADR434 基準(zhǔn)源采用 XFET 技術(shù),初始精度為 ±5 mV(A 后綴)或 ±1.5 mV(B 后綴)。
不過,對許多應(yīng)用而言,基準(zhǔn)源的穩(wěn)定性和長期一致性比絕對精度更為重要。原因可能在于數(shù)字信號可進(jìn)行后續(xù)校正;或是相較于絕對精度,比較結(jié)果及信號轉(zhuǎn)換更為重要,而這兩者都受基準(zhǔn)源穩(wěn)定性直接影響。因此,選擇基準(zhǔn)源時必須在所需的絕對精度與穩(wěn)定性之間進(jìn)行權(quán)衡,并考慮如何保持穩(wěn)定性。
考量穩(wěn)定性因素時還需深思熟慮。是否僅作短期使用,例如簡單試驗(yàn)時用于獲取數(shù)據(jù)?或是長期數(shù)據(jù)采集,期限超過一年或更長時間?每個項(xiàng)目啟動之前,設(shè)計(jì)人員都必須回答這些問題。
外部基準(zhǔn)源對比內(nèi)部基準(zhǔn)源
另有一個更基本的問題:您需要配置獨(dú)立外部基準(zhǔn)源嗎?Analog Devices 的AD7605-4BSTZADC 等轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源,可節(jié)省電路板空間和物料清單 (BOM)(圖 2)。此外,從規(guī)格書可知,該器件具有完全特性化的 ADC 讀數(shù)精度,因?yàn)榛鶞?zhǔn)源的性能表現(xiàn)為轉(zhuǎn)換器 IC 整體性能的一部分。
圖 2:16 位 AD7605-4BSTZ 等許多 ADC 都具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。由于基準(zhǔn)源性能已納入轉(zhuǎn)換器的整體規(guī)格,此舉不但可以節(jié)省空間和減少 BOM,還能簡化誤差預(yù)算分析。(圖片來源:Analog Devices)
然而,即使轉(zhuǎn)換器內(nèi)核適用,內(nèi)部基準(zhǔn)源可能仍無法提供所需的性能,因此多數(shù)轉(zhuǎn)換器都可連接外部基準(zhǔn)源。請注意,對于應(yīng)用特定性和成本敏感度較高的轉(zhuǎn)換器(例如用于低端音頻通道的轉(zhuǎn)換器),內(nèi)部轉(zhuǎn)換器可能就已符合目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn),因此無需使用外部基準(zhǔn)源。盡管如此,因?yàn)閮?nèi)部基準(zhǔn)源的性能可能與相關(guān)轉(zhuǎn)換器的規(guī)格相當(dāng),所以可以簡單認(rèn)為,外部基準(zhǔn)源的性能表現(xiàn)通常比內(nèi)部基準(zhǔn)源更為出色。
即使內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源足以滿足需求,出于另一原因仍需考慮使用外部基準(zhǔn)電壓源。設(shè)計(jì)中包含多個轉(zhuǎn)換器 IC 時,各個內(nèi)部基準(zhǔn)源可能有所不同或不能以相同的方式跟蹤彼此。因此,單純因?yàn)榛鶞?zhǔn)源的差異就會導(dǎo)致結(jié)果數(shù)據(jù)不一致,這會造成無法校正的誤差,從而使數(shù)據(jù)難以相關(guān)聯(lián)。
基于上述原因,對于具有多個轉(zhuǎn)換器的高性能系統(tǒng),通常最好共用單個外部基準(zhǔn)源。然而,這又會引起人們質(zhì)疑由單個基準(zhǔn)源“驅(qū)動”多個轉(zhuǎn)換器是否會降低其基本性能。下面將對這一顧慮做進(jìn)一步討論。
維持基準(zhǔn)源的性能
除初始精度和容差規(guī)格外,基準(zhǔn)源還有一些問題必須解決,以確保性能保持在可接受限值范圍內(nèi)。這些問題包括:
- 布局問題,包括電壓降和噪聲
- 輸出驅(qū)動(拉出/灌入)、負(fù)載緩沖和瞬態(tài)性能
- 短期穩(wěn)定性和溫度引起的漂移
- 由于老化、物理應(yīng)力和封裝導(dǎo)致的長期漂移
1.布局問題,包括電壓降和噪聲:與所有敏感的模擬信號一樣,即使是靜態(tài)電壓信號,也會造成基準(zhǔn)源輸出和轉(zhuǎn)換器之間的阻抗 (IR) 壓降過大。雖然基準(zhǔn)源負(fù)載大多較小,僅僅只有數(shù)十毫安,但即使是 10 mA 的小電流負(fù)載通過 100 mΩ 電阻也會產(chǎn)生 1 mV 電壓降,這可能會帶來相當(dāng)大的誤差預(yù)算。
ADR43x 系列基準(zhǔn)電壓源能克服這一問題,其中使用開爾文連接配置,將導(dǎo)線電阻加入外部運(yùn)算放大器(運(yùn)放)的強(qiáng)制回路內(nèi)(圖 3)。放大器可檢測負(fù)載端的電壓,因此運(yùn)算放大器的回路控制強(qiáng)制輸出補(bǔ)償導(dǎo)線壓降,從而在負(fù)載端產(chǎn)生正確的電壓。
圖 3:ADR43x 系列器件可通過外部運(yùn)算放大器配置為開爾文連接,由于從基準(zhǔn)源輸出連接至轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓輸入的任何 IR 壓降都在反饋回路內(nèi),因而可以校正損耗。(圖片來源:Analog Devices)
由于負(fù)載噪聲、接地(公共)噪聲以及拾取自去耦不充分的電源軌噪聲,外部噪聲也會影響基準(zhǔn)電壓源,這與轉(zhuǎn)換器的情況一樣。此外,還需考慮基準(zhǔn)源的內(nèi)部噪聲,通常分為低頻噪聲(0.1 Hz 至 10.0 Hz)和高頻噪聲(10 Hz 至 25 kHz)。ADR43x 系列等器件中的高性能基準(zhǔn)源具有低頻噪聲(峰峰值 (p-p) 低于 3.5 μV)和高頻噪聲(10 Hz 至 10 kHz 時約為 200 μV [峰值])。
ADR431BRZ-REEL7的噪聲強(qiáng)度譜如圖所示(圖 4)。對于不同的容性負(fù)載,曲線在大約 1 kHz 以下相對平坦,然后逐漸上升;容性負(fù)載為零時,曲線始終平坦。
圖 4:對于不同的容性負(fù)載,ADR431BRZ-REEL7 的噪聲強(qiáng)度在頻率低于 1 kHz 時相對平坦,然后逐漸上升;容性負(fù)載為零,曲線始終平坦,并且容性負(fù)載越大,噪聲強(qiáng)度上升越快。(圖片來源:Analog Devices)
降低噪聲的常用策略是添加簡單的電阻-電容 (RC) 濾波器。不過在較大的容性負(fù)載下,許多基準(zhǔn)源的輸出放大器可能會變得不穩(wěn)定且出現(xiàn)振蕩,因此除非基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)需要,否則通常不會在輸出端連接數(shù)微法的大電容。對于 ADR43x 器件而言,如果高頻噪聲仍然超出要求,那么基本解決辦法是在基準(zhǔn)源輸出端接入簡單的 RC 濾波器(圖 5)。
圖 5:ADR43x 基準(zhǔn)電壓源的基本連接只需少量無源外部元器件,輸入端接入兩個電容,輸出端則接入一個 0.1 μF 基本電容。(圖片來源:Analog Devices)
請注意,ADR43x 系列的每款基準(zhǔn)源均提供一個外部引腳,可用于訪問內(nèi)部補(bǔ)償節(jié)點(diǎn),允許在關(guān)鍵電路點(diǎn)添加外部串聯(lián) RC 電路(圖 6)。
圖 6:ADR43x 器件封裝具有用戶可訪問的引腳(引腳 7),以便為內(nèi)部運(yùn)算放大器添加所需的補(bǔ)償。(圖片來源:Analog Devices)
添加 RC 電路可讓用戶對內(nèi)部運(yùn)算放大器“過補(bǔ)償”,以避免不穩(wěn)定。用戶可以選擇電容值,使噪聲強(qiáng)度隨頻率變化較小,達(dá)到可接受水平(圖 7)。
圖 7:使用 ADR43x 基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員可以選擇 RC 電路的參數(shù)值以實(shí)現(xiàn)所需的降噪水平,而無需擔(dān)心因此造成輸出不穩(wěn)定。各種 RC 組合的噪聲強(qiáng)度與頻率的關(guān)系如圖所示。(圖片來源:Analog Devices)
2.輸出驅(qū)動(拉出/灌入)、負(fù)載緩沖和瞬態(tài)性能:大多數(shù)基準(zhǔn)源都內(nèi)置緩沖,可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 5 或 10 mA 的拉出和灌入電流。如果所需的負(fù)載電流大于基準(zhǔn)源的額定拉/灌電流,則需要添加外部緩沖器(通常使用單位增益)。然而,設(shè)計(jì)人員可能不想添加緩沖器,因?yàn)槠淙毕荩ú痪_、漂移)的潛在影響可能會使基準(zhǔn)源超出系統(tǒng)規(guī)格要求。
ADR43x 系列基準(zhǔn)源的額定拉/灌電流相對較大,分別為 +30 mA 和 -20 mA,因此多數(shù)情況下不需要添加外部電流緩沖器。
此外,基準(zhǔn)源負(fù)載并非恒定,而是可能隨著 ADC(或 DAC)的內(nèi)部轉(zhuǎn)換而有所變化。如果轉(zhuǎn)換器的外部基準(zhǔn)源輸入添加了緩沖器,就不會出現(xiàn)問題;否則就必須檢查基準(zhǔn)源的瞬態(tài)性能。在某些情況下,基準(zhǔn)源和轉(zhuǎn)換器之間需要添加外部緩沖器,以便驅(qū)動瞬態(tài)負(fù)載;同樣,系統(tǒng)誤差分析時也必須考慮緩沖器的性能。
3.短期穩(wěn)定性和溫度引起的漂移:有源電路的建立和芯片的熱梯度穩(wěn)定都需耗費(fèi)一定時間,因此基準(zhǔn)源的輸出將出現(xiàn)漂移。多數(shù)基準(zhǔn)電壓源的導(dǎo)通建立時間通常取決于負(fù)載電容,但負(fù)載較小時,ADR431 受負(fù)載電容影響很?。▓D 8 和圖 9)。
圖 8:無負(fù)載時 ADR431 的導(dǎo)通建立時間約為 8 μs。(圖片來源:Analog Devices)
圖 9:接入 0.01 μF 負(fù)載時,ADR431 的導(dǎo)通建立時間仍然約為 8 μs。(圖片來源:Analog Devices)
規(guī)格書注明了指定溫度下的基準(zhǔn)源精度,通常與初始精度有所不同。由于溫度會引起輸出的變化,以致很容易超出系統(tǒng)的精度要求,因此需要選擇漂移規(guī)格相對較小的基準(zhǔn)源。ADR43x 系列基準(zhǔn)源的額定工作溫度范圍為 -40℃ 至 +125℃;ADR434A(4.096 V,±5 mV 初始精度)的溫度系數(shù)為 10 ppm/℃,而該系列的其他器件則低至 3 ppm/℃。
4.由于老化、物理應(yīng)力和封裝導(dǎo)致的長期漂移:漂移往往是造成基準(zhǔn)電壓不準(zhǔn)確的重要原因。假設(shè)應(yīng)用要求基準(zhǔn)電壓源在工作溫度范圍內(nèi)的總精度為 ±0.1%,那么設(shè)計(jì)人員可選擇具有 ±0.05% 初始精度和超低溫度系數(shù) (±5 ppm/℃) 的高性能基準(zhǔn)源。
在 25℃ 至 125℃ 范圍內(nèi),由溫度系數(shù)引起的漂移為 5 ppm/℃ × 100℃,即 500 ppm (0.05%),因此總誤差(初始誤差 + 漂移誤差)滿足 ±0.1% 的應(yīng)用要求。某些高端應(yīng)用將基準(zhǔn)源放置在溫度可控的恒溫器中,這就類似于在溫度恒定環(huán)境中用于提供基準(zhǔn)頻率的晶振和時鐘,但對于多數(shù)情況而言此舉既不可取也不實(shí)用。
基準(zhǔn)源精度越高,為了維持精度,就更需要考慮基準(zhǔn)電壓的長期漂移 (LTD) 影響。然而,由于 LTD 也受生產(chǎn)程序和產(chǎn)品使用模式直接影響,而非僅憑周全的設(shè)計(jì)和相關(guān)組件的選型就能補(bǔ)償,因此 LTD 給設(shè)計(jì)工程師提出了一項(xiàng)特殊挑戰(zhàn)。電路板裝配時的封裝應(yīng)力是造成 LTD 的主要原因。暴露于電路板焊接過程的高溫環(huán)境下,塑料封裝的 IC 會稍微變形,這種由應(yīng)力引起的尺寸變化會對基準(zhǔn)電壓源芯片造成影響。
盡管數(shù)小時、數(shù)天甚至數(shù)周后,這類裝配引起的機(jī)械應(yīng)力就會消失并恢復(fù)正常,但是基準(zhǔn)電壓源輸出卻因此發(fā)生了改變。變化量取決于布局、器件封裝及其他因素,量級通常為數(shù)十百萬分率。此外,器件生產(chǎn)滿一年后,基準(zhǔn)源的芯片與封裝會趨于“穩(wěn)定”,因此某些基準(zhǔn)源規(guī)格書注明了這個更長時間段的漂移。
多數(shù)基準(zhǔn)源規(guī)格書提供的 LTD 規(guī)格為前 1000 小時工作的典型漂移;ADR43x 系列基準(zhǔn)源規(guī)格書注明 1000 小時的 LTD 為 40 ppm(典型值),但也請注意,后續(xù) 1000 小時的漂移會明顯低于前 1000 小時。
針對這種由應(yīng)力引起的漂移,一種解決方案是在數(shù)小時內(nèi)使電路板經(jīng)過幾次熱循環(huán),因?yàn)檫@將加速內(nèi)應(yīng)力的消除;另一種解決方案則是考慮使用陶瓷封裝的基準(zhǔn)電壓源,因?yàn)樘沾煞庋b通常比塑料封裝更穩(wěn)定,彎曲強(qiáng)度亦比塑料封裝高。但是,許多基準(zhǔn)源不能采用陶瓷封裝;但這可能并不構(gòu)成影響,因?yàn)?a href="http://www.ttokpm.com/article/zt/" target="_blank">最新一代塑料封裝基準(zhǔn)源提供的 LTD 性能堪比陶瓷封裝器件。
最后,設(shè)計(jì)人員也不能忽視器件電源軌的瞬態(tài)電壓對基準(zhǔn)電壓源的影響;畢竟就許多方面而言,基準(zhǔn)源都是一種特殊“電源”。因此,輸出精度不僅受負(fù)載變化影響,無干擾的穩(wěn)定直流 (DC) 輸入線路是維持指定性能的另一個因素。換言之,精心設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓源需要精密調(diào)節(jié)的功率輸入。在 7 至 18 V 的輸入電壓范圍內(nèi),ADR431 規(guī)格書注明線路調(diào)節(jié) ΔVOUT/ΔVIN典型值為 5 mV/ppm,最大值為 20 mV/ppm(圖 10)。
圖 10:基準(zhǔn)電壓源電源軌的瞬態(tài)電壓會對器件性能產(chǎn)生不利影響,但是良好的內(nèi)部線路調(diào)節(jié)可以解決這一問題。例如,線路瞬態(tài)電壓為 500 mV 時,ADR43x 器件的輸出并無變化。(圖片來源:Analog Devices)
總結(jié)
無論作為 ADC 或 DAC 的內(nèi)部組件還是分立的外部元器件,基準(zhǔn)電壓源是任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件。隨著器件基本精度、漂移及其他參數(shù)的改進(jìn),系統(tǒng)級性能也相應(yīng)提升。
如上所述,基準(zhǔn)電壓源具有各種特性和增強(qiáng)功能(拓?fù)浜凸に嚪矫妫┛晒┰O(shè)計(jì)人員選擇。這些貌似簡單的基準(zhǔn)電壓源不但新增各項(xiàng)功能,以確保在各種靜態(tài)和動態(tài)操作條件下保持精度和性能穩(wěn)定性,而且為設(shè)計(jì)人員提供多種選項(xiàng)以滿足嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求。
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基準(zhǔn)電壓源
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容性負(fù)載
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