為何需要基準(zhǔn)電壓源？

這是一個模擬世界。無論汽車、微波爐還是手機(jī)，所有電子設(shè)備都必須以某種方式與“真實(shí)”世界交互。為此，電子設(shè)備必須能夠?qū)⒄鎸?shí)世界的測量結(jié)果（速度、壓力、長度、溫度）映射到電子世界中可測的量（電壓）。當(dāng)然，要測量電壓，您需要一個衡量標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)就是基準(zhǔn)電壓。對系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，問題不在于是否需要基準(zhǔn)電壓源，而是使用何種基準(zhǔn)電壓源？

 

 

基準(zhǔn)電壓源只是一個電路或電路元件，只要電路需要，它就能提供已知電位。如果產(chǎn)品需要采集真實(shí)世界的相關(guān)信息，例如電池電壓或電流、功耗、信號大小或特性、故障識別等，那么必須將相關(guān)信號與一個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。每個比較器、ADC、DAC或檢測電路必須有一個基準(zhǔn)電壓源才能完成上述工作（圖1）。將目標(biāo)信號與已知值進(jìn)行比較，可以準(zhǔn)確量化任何信號。

 

圖1：ADC的基準(zhǔn)電壓源的典型用法

基準(zhǔn)電壓源規(guī)格

基準(zhǔn)電壓源有很多形式并提供不同的特性，但歸根結(jié)底，精度和穩(wěn)定性是基準(zhǔn)電壓源最重要的特性，因?yàn)槠渲饕饔檬翘峁┮粋€已知輸出電壓。相對于該已知值的變化是誤差?；鶞?zhǔn)電壓源規(guī)格通常使用圖2定義來預(yù)測其在某些條件下的不確定性。

 

圖2：高性能基準(zhǔn)電壓源規(guī)格（部分）

初始精度

在給定溫度（通常為25°C）下測得的輸出電壓的變化。雖然不同器件的初始輸出電壓可能不同，但如果它對于給定器件是恒定的，那么很容易將其校準(zhǔn)。

 

溫度漂移

該規(guī)格是基準(zhǔn)電壓源性能評估使用最廣泛的規(guī)格，因?yàn)樗砻鬏敵鲭妷弘S溫度的變化。溫度漂移是由電路元件的缺陷和非線性引起的，因此常常是非線性的。

 

對于許多器件，溫度漂移（TC - Temperature Coefficient，以ppm/°C為單位）是主要誤差源。溫度漂移一致的器件，是可以校準(zhǔn)的。關(guān)于溫度漂移的一個常見誤解是認(rèn)為它是線性的。這導(dǎo)致了諸如“器件在較小溫度范圍內(nèi)的漂移量會較少”之類的觀點(diǎn)，然而事實(shí)常常相反。TC一般用“黑盒法”指定，以便讓人了解整個工作溫度范圍內(nèi)的可能誤差。它是一個計(jì)算值，僅基于電壓的最小值和最大值，并不考慮這些極值發(fā)生的溫度。

 

對于在指定溫度范圍內(nèi)具有非常好線性度的基準(zhǔn)電壓源，或者對于那些未經(jīng)仔細(xì)調(diào)整的基準(zhǔn)電壓源，可以認(rèn)為最差情況誤差與溫度范圍成比例。這是因?yàn)樽畲蠛妥钚≥敵鲭妷簶O有可能是在最大和最小工作溫度下得到的。然而，對于經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整的基準(zhǔn)電壓源（通常通過其非常低的溫度漂移來判定），其非線性特性可能占主導(dǎo)地位。

 

例如，指定為100ppm/°C的基準(zhǔn)電壓源傾向于在任何溫度范圍內(nèi)都有相當(dāng)好的線性度，因?yàn)樵黄ヅ湟鸬钠仆耆谏w了其固有非線性。相反，指定為5ppm/°C的基準(zhǔn)電壓源，其溫度漂移將以非線性為主。

 

這在圖3所示的輸出電壓與溫度特性的關(guān)系中很容易看出。注意，其中展示了兩種可能的溫度特性。未補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源表現(xiàn)為拋物線，最小值在溫度極值處，最大值在中間。此處所示的溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓源（如LT1019）表現(xiàn)為“S”形曲線，其最大斜率接近溫度范圍的中心。在后一種情況下，非線性加劇，從而降低了溫度范圍內(nèi)的總體不確定性。

 

圖3：基準(zhǔn)電壓源溫度特性
 

溫度漂移規(guī)格的最佳用途是計(jì)算指定溫度范圍內(nèi)的最大總誤差。除非很好的理解了溫度漂移特性，否則一般不建議計(jì)算未指定溫度范圍內(nèi)的誤差。

 

長期穩(wěn)定性

該規(guī)格衡量基準(zhǔn)電壓隨時間變化的趨勢，與其他變量無關(guān)。初始偏移主要由機(jī)械應(yīng)力的變化引起，后者通常來源于引線框架、裸片和模塑化合物的膨脹率的差異。這種應(yīng)力效應(yīng)往往具有很大的初始偏移，爾后隨著時間推移，偏移會迅速減少。初始漂移還包含電路元件電氣特性的變化，其中包括器件特性在原子水平上的建立。更長期的偏移是由電路元件的電氣變化引起的，常常稱之為“老化”。與初始漂移相比，這種漂移傾向于以較低速率發(fā)生，并且隨著時間推移變化速率會進(jìn)一步降低。因此，它常常用“漂移/√khr”來表示。在較高溫度下，基準(zhǔn)電壓源的老化速度往往也更快。

 

這一規(guī)格常常被忽視，但它也可能成為主要誤差源。它本質(zhì)上是機(jī)械性的，是熱循環(huán)導(dǎo)致芯片應(yīng)力改變的結(jié)果。經(jīng)過很大的溫度循環(huán)之后，在給定溫度下可以觀察到遲滯，其表現(xiàn)為輸出電壓的變化。它與溫度系數(shù)和時間漂移無關(guān)，會降低初始電壓校準(zhǔn)的有效性。

 

在隨后的溫度循環(huán)期間，大多數(shù)基準(zhǔn)電壓源傾向于在標(biāo)稱輸出電壓附近變化，因此熱遲滯通常以可預(yù)測的最大值為限。每家制造商都有自己指定此參數(shù)的方法，因此典型值可能產(chǎn)生誤導(dǎo)。估算輸出電壓誤差時，數(shù)據(jù)手冊（如LT1790和LTC6652）中提供的分布數(shù)據(jù)會更有用。

 

其他規(guī)格

根據(jù)應(yīng)用要求，其他可能重要的規(guī)格包括：

● 電壓噪聲

● 線性調(diào)整率/PSRR

● 負(fù)載調(diào)整率

● 壓差

● 電源電壓范圍

● 電源電流

 

基準(zhǔn)電壓源類型

基準(zhǔn)電壓源主要有兩類：分流和串聯(lián)。串聯(lián)和分流基準(zhǔn)電壓源參見圖4。

 

圖4：基準(zhǔn)電壓源
 

分流基準(zhǔn)電壓源

分流基準(zhǔn)電壓源是兩端器件，通常設(shè)計(jì)為在指定電流范圍內(nèi)工作。雖然大多數(shù)分流基準(zhǔn)電壓源是帶隙類型并提供多種電壓，但可以認(rèn)為它們與齊納二極管型一樣易用，事實(shí)也確實(shí)如此。

 

最常見的電路是將基準(zhǔn)電壓源的一個引腳連接到地，另一個引腳連接到電阻。而電阻的一個引腳連接到電阻，另一個引腳連接到電源。這樣，它實(shí)質(zhì)上變成一個三端電路?；鶞?zhǔn)電壓源和電阻的公共端是輸出，而電阻電壓源和電阻的公共端也是輸出。電阻的選擇必須適當(dāng)，使得在整個電源范圍和負(fù)載電流范圍內(nèi)，通過基準(zhǔn)電壓源的最小和最大電流都在額定范圍內(nèi)。如果電源電壓和負(fù)載電流變化不大，這些基準(zhǔn)電壓源很容易用于設(shè)計(jì)。如果其中之一或二者可能發(fā)生重大變化，通常會導(dǎo)致電路實(shí)際耗散功率比標(biāo)稱情況所需大得多。從這個意義上講，它可以被認(rèn)為像A類放大器一樣運(yùn)作。

 

分流基準(zhǔn)電壓源的優(yōu)點(diǎn)包括：設(shè)計(jì)簡單，封裝小，在寬電流和負(fù)載條件下具有良好的穩(wěn)定性。此外，它很容易設(shè)計(jì)為負(fù)基準(zhǔn)電壓源，并且可以配合非常高的電源電壓使用（因?yàn)橥獠侩娮钑謹(jǐn)偞蟛糠蛛娢唬?，或配合非常低的電源電壓使用（因?yàn)檩敵隹梢詢H低于電源電壓幾毫伏）。分流產(chǎn)品包括LT1004、LT1009、LT1389、LT1634、LM399和LTZ1000。典型分流電路如圖5所示。

 

圖5：分流基準(zhǔn)電壓源
 

串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源

串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源是三（或更多）端器件。它更像低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，因此其許多優(yōu)點(diǎn)是相同的。最值得注意的是，其在很寬的電源電壓范圍內(nèi)消耗相對固定的電源電流，并且只在負(fù)載需要時才傳導(dǎo)負(fù)載電流。這使其成為電源電壓或負(fù)載電流有較大變化的電路的理想選擇。它在負(fù)載電流非常大的電路中特別有用，因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓源和電源之間沒有串聯(lián)電阻。

 

串聯(lián)產(chǎn)品包括LT1460、LT1790、LT1461、LT1021、LT1236、LT1027、LTC6652、LT6660等等。LT1021和LT1019等產(chǎn)品可以用作分流或串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源。串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源電路如圖6所示。