發布日期：2022-04-17 點擊率：47
為了充分利用物聯網 (IoT)，人們希望更快、更有效地連接模擬和數字世界。在這股熱潮中，人們極易忽略基準電壓源所發揮的關鍵作用，然而此舉甚不明智。基準電壓是模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器 (DAC)“判斷”模擬輸入值和輸出值的主要標準，有助于確保信號和數據轉換的精度，但前提是基準電壓源選擇適當且應用得當。
本文簡要說明基準電壓源的結構和特性，并介紹基準電壓源的選型。本文以 Analog Devices 的 ADR43x 系列為實例介紹基準電壓源，說明新型電壓基準的各種特性、增強功能及性能，以便設計人員善加利用以充分發揮其優勢。此外，本文還將展示 ADR43x 器件的應用方法，如何將其保持在可接受限值范圍內，從而使 ADC、DAC 和系統作為一個整體來充分發揮潛力。
基準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）。如果基準源選型或應用不當，就會獲得不準確的基準電壓，從而影響轉換器輸出的有效性和可信度。
圖 1：基準電壓源的基本形式是連接輸入電壓、輸出基準電壓和接地（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）
根據標稱輸出電壓、精度和容差及其他參數選擇合適的基準源后，設計人員所面臨的挑戰在于如何使用該基準源使指定性能完全滿足應用要求，而不降低器件的性能。這一點的重要性不容小覷。如上所述，基準電壓是 ADC 在將電壓信號數字化時判斷模擬輸入電壓的主要標準。而對于 DAC 而言，穩定可靠的基準電壓源能讓轉換器生成與輸入數字代碼相對應的精確模擬輸出電壓。
固態基準電壓源主要采用三種常用技術：掩埋齊納二極管、利用晶體管 Vbe 的帶隙基準電壓源，以及 Analog Devices 的 XFET? 配置，其中使用兩個結型場效應管 (JFET) 串聯工作（美國專利號 5,838,192）。
雖然基準電壓源設計人員可能會討論各種方法之間的細微差別和各自屬性（理由充分），但對于大多數基準電壓源用戶而言，重點仍在于性能、利弊權衡、應用和成本問題。本文采取的亦是這種觀點。
由于所使用技術的器件基本物理特性，基準電壓源的內部核心基準電壓值可能比較“怪異”，但是基準電壓源的內部電路設計旨在確保輸出電壓與轉換器分辨率匹配良好，并且能夠滿足系統需求。
例如，許多基準源以系列產品上市，除輸出電壓值有所不同外，器件的其他性能均相同。可選擇的輸出電壓值如 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 基準電壓能夠“均勻”地映射到轉換器分辨率，因此這兩種規格最為常用；例如，使用 4.096 V 基準源的 12 位轉換器的標稱比例為 1 mV/離散間隔數。
初始基準精度以百分比或毫伏為單位標定；精度差異可能較大，因為某些應用的精度要求比其他應用高。通常，精度越高，實現和維持精度的難度越大；就典型基準源規格而言，最大誤差為 ±0.1%（所有情況下適用）。然而，基礎拓撲學與工藝技術的進步使得這一規格得以改進。例如，4.096 V 的 ADR434 基準源采用 XFET 技術，初始精度為 ±5 mV（A 后綴）或 ±1.5 mV（B 后綴）。
不過，對許多應用而言，基準源的穩定性和長期一致性比絕對精度更為重要。原因可能在于數字信號可進行后續校正；或是相較于絕對精度，比較結果及信號轉換更為重要，而這兩者都受基準源穩定性直接影響。因此，選擇基準源時必須在所需的絕對精度與穩定性之間進行權衡，并考慮如何保持穩定性。
考量穩定性因素時還需深思熟慮。是否僅作短期使用，例如簡單試驗時用于獲取數據？或是長期數據采集，期限超過一年或更長時間？每個項目啟動之前，設計人員都必須回答這些問題。
另有一個更基本的問題：您需要配置獨立外部基準源嗎？Analog Devices 的 AD7605-4BSTZ ADC 等轉換器具有內部基準電壓源，可節省電路板空間和物料清單 (BOM)（圖 2）。此外，從規格書可知，該器件具有完全特性化的 ADC 讀數精度，因為基準源的性能表現為轉換器 IC 整體性能的一部分。
圖 2：16 位 AD7605-4BSTZ 等許多 ADC 都具有內部基準電壓源。由于基準源性能已納入轉換器的整體規格，此舉不但可以節省空間和減少 BOM，還能簡化誤差預算分析。（圖片來源：Analog Devices）
然而，即使轉換器內核適用，內部基準源可能仍無法提供所需的性能，因此多數轉換器都可連接外部基準源。請注意，對于應用特定性和成本敏感度較高的轉換器（例如用于低端音頻通道的轉換器），內部轉換器可能就已符合目標標準，因此無需使用外部基準源。盡管如此，因為內部基準源的性能可能與相關轉換器的規格相當，所以可以簡單認為，外部基準源的性能表現通常比內部基準源更為出色。
即使內部基準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電壓源。設計中包含多個轉換器 IC 時，各個內部基準源可能有所不同或不能以相同的方式跟蹤彼此。因此，單純因為基準源的差異就會導致結果數據不一致，這會造成無法校正的誤差，從而使數據難以相關聯。
基于上述原因，對于具有多個轉換器的高性能系統，通常最好共用單個外部基準源。然而，這又會引起人們質疑由單個基準源“驅動”多個轉換器是否會降低其基本性能。下面將對這一顧慮做進一步討論。
除初始精度和容差規格外，基準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。這些問題包括：
布局問題，包括電壓降和噪聲
輸出驅動（拉出/灌入）、負載緩沖和瞬態性能
短期穩定性和溫度引起的漂移
由于老化、物理應力和封裝導致的長期漂移
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，即使是靜態電壓信號，也會造成基準源輸出和轉換器之間的阻抗 (IR) 壓降過大。雖然基準源負載大多較小，僅僅只有數十毫安，但即使是 10 mA 的小電流負載通過 100 mΩ 電阻也會產生 1 mV 電壓降，這可能會帶來相當大的誤差預算。
ADR43x 系列基準電壓源能克服這一問題，其中使用開爾文連接配置，將導線電阻加入外部運算放大器（運放）的強制回路內（圖 3）。放大器可檢測負載端的電壓，因此運算放大器的回路控制強制輸出補償導線壓降，從而在負載端產生正確的電壓。
圖 3：ADR43x 系列器件可通過外部運算放大器配置為開爾文連接，由于從基準源輸出連接至轉換器基準電壓輸入的任何 IR 壓降都在反饋回路內，因而可以校正損耗。（圖片來源：Analog Devices）
由于負載噪聲、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電壓源，這與轉換器的情況一樣。此外，還需考慮基準源的內部噪聲，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 的噪聲強度譜如圖所示（圖 4）。對于不同的容性負載，曲線在大約 1 kHz 以下相對平坦，然后逐漸上升；容性負載為零時，曲線始終平坦。
圖 4：對于不同的容性負載，ADR431BRZ-REEL7 的噪聲強度在頻率低于 1 kHz 時相對平坦，然后逐漸上升；容性負載為零，曲線始終平坦，并且容性負載越大，噪聲強度上升越快。（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載下，許多基準源的輸出放大器可能會變得不穩定且出現振蕩，因此除非基準源設計需要，否則通常不會在輸出端連接數微法的大電容。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源輸出端接入簡單的 RC 濾波器（圖 5）。
圖 5：ADR43x 基準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 系列的每款基準源均提供一個外部引腳，可用于訪問內部補償節點，允許在關鍵電路點添加外部串聯 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），以便為內部運算放大器添加所需的補償。（圖片來源：Analog Devices）
添加 RC 電路可讓用戶對內部運算放大器“過補償”，以避免不穩定。用戶可以選擇電容值，使噪聲強度隨頻率變化較小，達到可接受水平（圖 7）。
圖 7：使用 ADR43x 基準源的設計中，設計人員可以選擇 RC 電路的參數值以實現所需的降噪水平，而無需擔心因此造成輸出不穩定。各種 RC 組合的噪聲強度與頻率的關系如圖所示。（圖片來源：Analog Devices）
2.輸出驅動（拉出/灌入）、負載緩沖和瞬態性能：大多數基準源都內置緩沖，可以實現高達 5 或 10 mA 的拉出和灌入電流。如果所需的負載電流大于基準源的額定拉/灌電流，則需要添加外部緩沖器（通常使用單位增益）。然而，設計人員可能不想添加緩沖器，因為其缺陷（不精確、漂移）的潛在影響可能會使基準源超出系統規格要求。
ADR43x 系列基準源的額定拉/灌電流相對較大，分別為 +30 mA 和 -20 mA，因此多數情況下不需要添加外部電流緩沖器。
此外，基準源負載并非恒定，而是可能隨著 ADC（或 DAC）的內部轉換而有所變化。如果轉換器的外部基準源輸入添加了緩沖器，就不會出現問題；否則就必須檢查基準源的瞬態性能。在某些情況下，基準源和轉換器之間需要添加外部緩沖器，以便驅動瞬態負載；同樣，系統誤差分析時也必須考慮緩沖器的性能。
3.短期穩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定都需耗費一定時間，因此基準源的輸出將出現漂移。多數基準電壓源的導通建立時間通常取決于負載電容，但負載較小時，ADR431 受負載電容影響很小（圖 8 和圖 9）。
圖 8：無負載時 ADR431 的導通建立時間約為 8 μs。（圖片來源：Analog Devices）
圖 9：接入 0.01 μF 負載時，ADR431 的導通建立時間仍然約為 8 μs。（圖片來源：Analog Devices）
規格書注明了指定溫度下的基準源精度，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的精度要求，因此需要選擇漂移規格相對較小的基準源。ADR43x 系列基準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、物理應力和封裝導致的長期漂移：漂移往往是造成基準電壓不準確的重要原因。假設應用要求基準電壓源在工作溫度范圍內的總精度為 ±0.1%，那么設計人員可選擇具有 ±0.05% 初始精度和超低溫度系數 (±5 ppm/℃) 的高性能基準源。
在 25℃ 至 125℃ 范圍內，由溫度系數引起的漂移為 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% 的應用要求。某些高端應用將基準源放置在溫度可控的恒溫器中，這就類似于在溫度恒定環境中用于提供基準頻率的晶振和時鐘，但對于多數情況而言此舉既不可取也不實用。
基準源精度越高，為了維持精度，就更需要考慮基準電壓的長期漂移 (LTD) 影響。然而，由于 LTD 也受生產程序和產品使用模式直接影響，而非僅憑周全的設計和相關組件的選型就能補償，因此 LTD 給設計工程師提出了一項特殊挑戰。電路板裝配時的封裝應力是造成 LTD 的主要原因。暴露于電路板焊接過程的高溫環境下，塑料封裝的 IC 會稍微變形，這種由應力引起的尺寸變化會對基準電壓源芯片造成影響。
盡管數小時、數天甚至數周后，這類裝配引起的機械應力就會消失并恢復正常，但是基準電壓源輸出卻因此發生了改變。變化量取決于布局、器件封裝及其他因素，量級通常為數十百萬分率。此外，器件生產滿一年后，基準源的芯片與封裝會趨于“穩定”，因此某些基準源規格書注明了這個更長時間段的漂移。
多數基準源規格書提供的 LTD 規格為前 1000 小時工作的典型漂移；ADR43x 系列基準源規格書注明 1000 小時的 LTD 為 40 ppm（典型值），但也請注意，后續 1000 小時的漂移會明顯低于前 1000 小時。
針對這種由應力引起的漂移，一種解決方案是在數小時內使電路板經過幾次熱循環，因為這將加速內應力的消除；另一種解決方案則是考慮使用陶瓷封裝的基準電壓源，因為陶瓷封裝通常比塑料封裝更穩定，彎曲強度亦比塑料封裝高。但是，許多基準源不能采用陶瓷封裝；但這可能并不構成影響，因為最新一代塑料封裝基準源提供的 LTD 性能堪比陶瓷封裝器件。
最后，設計人員也不能忽視器件電源軌的瞬態電壓對基準電壓源的影響；畢竟就許多方面而言，基準源都是一種特殊“電源”。因此，輸出精度不僅受負載變化影響，無干擾的穩定直流 (DC) 輸入線路是維持指定性能的另一個因素。換言之，精心設計的基準電壓源需要精密調節的功率輸入。在 7 至 18 V 的輸入電壓范圍內，ADR431 規格書注明線路調節 ΔVOUT/ΔVIN 典型值為 5 mV/ppm，最大值為 20 mV/ppm（圖 10）。
圖 10：基準電壓源電源軌的瞬態電壓會對器件性能產生不利影響，但是良好的內部線路調節可以解決這一問題。例如，線路瞬態電壓為 500 mV 時，ADR43x 器件的輸出并無變化。（圖片來源：Analog Devices）
無論作為 ADC 或 DAC 的內部組件還是分立的外部元器件，基準電壓源是任何數據轉換器應用系統的關鍵構件。隨著器件基本精度、漂移及其他參數的改進，系統級性能也相應提升。
如上所述，基準電壓源具有各種特性和增強功能（拓撲和工藝方面）可供設計人員選擇。這些貌似簡單的基準電壓源不但新增各項功能，以確保在各種靜態和動態操作條件下保持精度和性能穩定性，而且為設計人員提供多種選項以滿足嚴格的設計要求。
Analog Devices, AN-713, "The Effect of Long-Term Drift on Voltage References"
Analog Devices, Engineer Zone, "Trimming the ADR430"
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