詢問應(yīng)用工程師：基準(zhǔn)電壓源必須有多好

所有模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）都需要參考信號，通常是電壓。ADC的數(shù)字輸出表示輸入與基準(zhǔn)電壓源的比率，DAC的數(shù)字輸入定義其模擬輸出與基準(zhǔn)電壓源的比率。有些轉(zhuǎn)換器內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源，有些轉(zhuǎn)換器需要外部基準(zhǔn)電壓源，但所有轉(zhuǎn)換器都必須具有某種電壓（或電流）基準(zhǔn)電壓源。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的大多數(shù)早期應(yīng)用都是在緩慢變化的信號的“直流”測量中，其中測量的確切時間并不重要。如今，大多數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用都在采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，其中必須處理大量等間距的模擬樣本，頻譜信息與幅度信息一樣重要。這里，頻率或時間基準(zhǔn)（“采樣時鐘”或“重建時鐘”）的質(zhì)量與基準(zhǔn)電壓源的質(zhì)量相當(dāng)。

電壓基準(zhǔn)

Q. 基準(zhǔn)電壓源必須有多好？

一個。這取決于系統(tǒng)。在需要絕對測量的情況下，精度受到已知參考值的精度的限制。然而，在許多系統(tǒng)中，穩(wěn)定性或可重復(fù)性比絕對精度更重要;在一些采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，基準(zhǔn)電壓源的長期精度并不重要，但從噪聲系統(tǒng)電源獲取基準(zhǔn)電壓源可能會引入誤差。

單芯片埋入齊納基準(zhǔn)電壓源（例如AD588和AD688）在1 V（10.0%或01 ppm）時的初始精度為100 mV，溫度系數(shù)為1.5 ppm/°C。 它們足夠精確，可以在 12 位系統(tǒng) （1 LSB = 244 ppm） 中使用未修整，但在 14 位或 16 位系統(tǒng)中則不然。將初始誤差修整為零后，它們可在有限的溫度范圍內(nèi)用于 14 位和 16 位系統(tǒng)。（1 LSB = 61 ppm，AD40或AD588的溫度變化為688°C）。

為了獲得更高的絕對精度，可能需要在恒溫控制的烘箱中穩(wěn)定參考的溫度，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。在許多系統(tǒng)中，雖然不需要 12 位絕對精度，但可能需要 12 位或更高的分辨率;這里可以使用精度較低（且成本較低）的帶隙基準(zhǔn)電壓源。

問：“埋藏齊納”和“帶隙”是什么意思？

一個。這是集成電路中最常用的兩種精密基準(zhǔn)電壓源。

“埋藏”或地下齊納更穩(wěn)定和準(zhǔn)確。它由一個具有正確反向擊穿電壓值的二極管組成，形成在集成電路芯片的表面水平以下，然后被保護(hù)性擴(kuò)散覆蓋以保持擊穿低于表面。

在硅芯片的表面，雜質(zhì)、機(jī)械應(yīng)力和晶格位錯比芯片內(nèi)部多。由于這些會導(dǎo)致噪聲和長期不穩(wěn)定，埋入式擊穿二極管的噪聲更小，并且比表面齊納二極管更穩(wěn)定 - 它是精確IC器件的首選片內(nèi)基準(zhǔn)源。

然而，其擊穿電壓通常約為5 V或更高，并且必須消耗數(shù)百微安才能獲得最佳操作，因此該技術(shù)不適用于必須從低電壓運(yùn)行且功耗低的基準(zhǔn)電壓源。對于此類應(yīng)用，首選“帶隙”基準(zhǔn)。它產(chǎn)生具有正溫度系數(shù)的電壓，以補(bǔ)償晶體管V的負(fù)溫度系數(shù)是，保持恒定的“帶隙”電壓。在所示電路中，* Q2的發(fā)射極面積是Ql的8倍;該對在R1中產(chǎn)生與其絕對溫度（PTAT）成比例的電流，從而產(chǎn)生與V串聯(lián)的PTAT電壓是Q1，產(chǎn)生電壓Vz，不隨溫度變化，可以放大，如圖所示。它等于硅帶隙電壓（外推到絕對零）。

帶隙基準(zhǔn)電壓源的精度和穩(wěn)定性略低于最佳埋藏齊納基準(zhǔn)電壓源，但可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于3 ppm/°C的溫度變化。

Q. 使用基準(zhǔn)電壓源時應(yīng)采取哪些預(yù)防措施？

答：請記住良好模擬電路設(shè)計的基礎(chǔ)知識：注意高阻抗導(dǎo)體中的壓降、公共接地阻抗產(chǎn)生的噪聲以及去耦電源軌未充分產(chǎn)生的噪聲?？紤]基準(zhǔn)電流流向哪個方向，并注意容性負(fù)載。

問：我知道電壓降和噪聲的影響，但基準(zhǔn)電壓源是否必須提供足夠大的電流才能使導(dǎo)體中的壓降變得顯著？

一個。通常，基準(zhǔn)電壓源在內(nèi)部緩沖;大多數(shù)將拉出和吸收 5-10 mA。某些應(yīng)用可能需要此量級或更大的電流;例如，引用用作系統(tǒng)引用;另一種是驅(qū)動具有非常低阻抗的高速閃存ADC的基準(zhǔn)輸入。流淌在10毫歐姆中的100 mA電流將經(jīng)歷1 mV的壓降，這可能很大。性能最高的基準(zhǔn)電壓源，如AD588和AD688，其輸出和輸出接地端子均具有開爾文（力檢測）連接。通過圍繞誤差源閉合反饋環(huán)路，這些連接避免了壓降的影響;當(dāng)電流緩沖放大器用于驅(qū)動大量負(fù)載或灌電流流向錯誤方向時，它們還可以校正增益和失調(diào)誤差。檢測端應(yīng)連接到緩沖放大器的輸出側(cè)，最好在負(fù)載端。

問：你說的流向錯誤的方向是什么意思“？

A. 考慮采用+5 V電源供電的+10 V基準(zhǔn)電壓源。如果其 5 伏輸出端子由電阻器接地，電流將從端子流出。如果電阻連接到+10 V電源，電流將流入端子。大多數(shù)基準(zhǔn)電壓源將允許凈電流沿任一方向流動;但有些會提供電流但不會吸收它 - 或者會吸收比源少得多。此類器件可通過數(shù)據(jù)手冊中指定輸出電流的方式進(jìn)行識別，但不能用于必須將大量凈電流流入基準(zhǔn)端子的應(yīng)用。一個常見的例子是使用正參考作為負(fù)參考。

問：為什么不直接購買負(fù)參考？

一個。因為大多數(shù)單電壓輸出基準(zhǔn)都是正基準(zhǔn)。當(dāng)然，雙引腳有源基準(zhǔn)可用于任一極性;它們的使用方式與齊納二極管相同（通常是帶隙器件）。

要使三端正基準(zhǔn)用作負(fù)基準(zhǔn)，它必須能夠吸收電流。其輸出端子接地，其接地端子（成為負(fù)參考端子）通過電阻器（或恒流源）連接到負(fù)電源。正電源引腳通常必須連接到離地至少幾伏的正電源。但有些器件可以在雙端子模式下提供負(fù)基準(zhǔn)：正端子和輸出端子一起接地。

RS（或電流源）的選擇，以便對于負(fù)電源和基準(zhǔn)負(fù)載電流的所有預(yù)期值，接地和輸出端電流都在額定值范圍內(nèi)。

Q. 容性負(fù)載呢？

一個。許多基準(zhǔn)電壓源的輸出放大器變得不穩(wěn)定，在大容性負(fù)載下工作時可能會振蕩;因此，不建議將高電容（幾μF或更高）連接到基準(zhǔn)電壓源的輸出以降低噪聲，但通常建議使用1-10 nF電容，并且某些基準(zhǔn)電壓源（例如AD588）具有降噪端子，電容可以安全連接。如果力檢測端子可用，則可以在容性負(fù)載下定制環(huán)路動力學(xué)。請咨詢數(shù)據(jù)表和制造商的應(yīng)用工程師以確保。即使電路穩(wěn)定，也可能不建議使用大容性負(fù)載，因為它們會增加基準(zhǔn)電壓源的導(dǎo)通時間。

問：接通電源后引用不會立即打開嗎？

一個。絕不。在許多基準(zhǔn)電壓源中，驅(qū)動基準(zhǔn)元件（齊納或帶隙）的電流來自穩(wěn)定輸出。這種正反饋增加了直流穩(wěn)定性，但會導(dǎo)致穩(wěn)定的“關(guān)閉”狀態(tài)，從而抵抗啟動。用于處理此問題并促進(jìn)啟動的片上電路通常設(shè)計為消耗最小電流，因此許多基準(zhǔn)電壓源的啟動速度較慢（典型值為1-10 ms）。某些設(shè)備確實(shí)被指定為更快的開啟;但有些甚至更慢。

如果設(shè)計人員在電路上電后非?？焖俚匦枰鶞?zhǔn)電壓，則所選基準(zhǔn)電壓源必須具有足夠快的導(dǎo)通規(guī)格;并且應(yīng)盡量減少降噪電容?；鶞?zhǔn)導(dǎo)通延遲可能會限制為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電源進(jìn)行選通的機(jī)會，以節(jié)省系統(tǒng)功耗。即使基準(zhǔn)電壓源內(nèi)置于轉(zhuǎn)換器芯片中，仍必須考慮該問題;在這種類型的系統(tǒng)中，考慮轉(zhuǎn)換器的上電特性也很重要。

高精度基準(zhǔn)電壓源可能需要在導(dǎo)通后額外的熱穩(wěn)定時間，然后芯片才能達(dá)到熱穩(wěn)定性，熱感應(yīng)偏移才能達(dá)到其最終值。這種影響將在數(shù)據(jù)手冊中提及，不太可能超過幾秒鐘。

Q. 使用這些高精度基準(zhǔn)而不是其內(nèi)部基準(zhǔn)是否會使轉(zhuǎn)換器更準(zhǔn)確？

答：不一定。例如，經(jīng)典AD674的高速后代產(chǎn)品AD574B的出廠調(diào)整校準(zhǔn)誤差最大值為0.25% （±l0 LSB），內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源保證精度在+100 mV （1%）以內(nèi)。由于0 V = 25 mV的10.25%，滿量程為10.000 V + 25 mV。假設(shè)具有674%高內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源（1.10 V）的AD1B在工廠針對10.000 V滿量程進(jìn)行了修整，增益增加了1%。如果將精確的10.00 V系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源連接到器件的基準(zhǔn)電壓源輸入，滿量程將變?yōu)?88.10 V，是額定最大誤差的100倍。

Q. 請討論時鐘作為系統(tǒng)參考的作用。

答：哎呀，我們沒空間了！這個問題引入了一個值得深思熟慮討論的話題。我們將在以后的期刊中執(zhí)行此操作。

審核編輯：郭婷