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【干货 】 如何选择合适的基准电压源?(一)

【导读】这是一个模拟世界。无论汽车、微波炉还是手机,所有电子设备都必须以某种方式与“真实”世界交互。为此,电子设备必须能够将真实世界的测量结果(速度、压力、长度、温度)映射到电子世界中可测的量(电压)。

为何需要基准电压源?

这是一个模拟世界。无论汽车、微波炉还是手机,所有电子设备都必须以某种方式与“真实”世界交互。为此,电子设备必须能够将真实世界的测量结果(速度、压力、长度、温度)映射到电子世界中可测的量(电压)。当然,要测量电压,您需要一个衡量标准。该标准就是基准电压。对系统设计人员而言,问题不在于是否需要基准电压源,而是使用何种基准电压源?

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基准电压源只是一个电路或电路元件,只要电路需要,它就能提供已知电位。如果产品需要采集真实世界的相关信息,例如电池电压或电流、功耗、信号大小或特性、故障识别等,那么必须将相关信号与一个标准进行比较。每个比较器、ADC、DAC或检测电路必须有一个基准电压源才能完成上述工作(图1)。将目标信号与已知值进行比较,可以准确量化任何信号。

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图1:ADC的基准电压源的典型用法


基准电压源规格

基准电压源有很多形式并提供不同的特性,但归根结底,精度和稳定性是基准电压源最重要的特性,因为其主要作用是提供一个已知输出电压。相对于该已知值的变化是误差。基准电压源规格通常使用图2定义来预测其在某些条件下的不确定性。

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图2:高性能基准电压源规格(部分)


初始精度

在给定温度(通常为25°C)下测得的输出电压的变化。虽然不同器件的初始输出电压可能不同,但如果它对于给定器件是恒定的,那么很容易将其校准。

温度漂移

该规格是基准电压源性能评估使用最广泛的规格,因为它表明输出电压随温度的变化。温度漂移是由电路元件的缺陷和非线性引起的,因此常常是非线性的。

对于许多器件,温度漂移(TC - Temperature Coefficient,以ppm/°C为单位)是主要误差源。温度漂移一致的器件,是可以校准的。关于温度漂移的一个常见误解是认为它是线性的。这导致了诸如“器件在较小温度范围内的漂移量会较少”之类的观点,然而事实常常相反。TC一般用“黑盒法”指定,以便让人了解整个工作温度范围内的可能误差。它是一个计算值,仅基于电压的最小值和最大值,并不考虑这些极值发生的温度。

对于在指定温度范围内具有非常好线性度的基准电压源,或者对于那些未经仔细调整的基准电压源,可以认为最差情况误差与温度范围成比例。这是因为最大和最小输出电压极有可能是在最大和最小工作温度下得到的。然而,对于经过仔细调整的基准电压源(通常通过其非常低的温度漂移来判定),其非线性特性可能占主导地位。

例如,指定为100ppm/°C的基准电压源倾向于在任何温度范围内都有相当好的线性度,因为元件不匹配引起的漂移完全掩盖了其固有非线性。相反,指定为5ppm/°C的基准电压源,其温度漂移将以非线性为主。

这在图3所示的输出电压与温度特性的关系中很容易看出。注意,其中展示了两种可能的温度特性。未补偿的带隙基准电压源表现为抛物线,最小值在温度极值处,最大值在中间。此处所示的温度补偿带隙基准电压源(如LT1019)表现为“S”形曲线,其最大斜率接近温度范围的中心。在后一种情况下,非线性加剧,从而降低了温度范围内的总体不确定性。

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图3:基准电压源温度特性

温度漂移规格的最佳用途是计算指定温度范围内的最大总误差。除非很好的理解了温度漂移特性,否则一般不建议计算未指定温度范围内的误差。

长期稳定性

该规格衡量基准电压随时间变化的趋势,与其他变量无关。初始偏移主要由机械应力的变化引起,后者通常来源于引线框架、裸片和模塑化合物的膨胀率的差异。这种应力效应往往具有很大的初始偏移,尔后随着时间推移,偏移会迅速减少。初始漂移还包含电路元件电气特性的变化,其中包括器件特性在原子水平上的建立。更长期的偏移是由电路元件的电气变化引起的,常常称之为“老化”。与初始漂移相比,这种漂移倾向于以较低速率发生,并且随着时间推移变化速率会进一步降低。因此,它常常用“漂移/√khr”来表示。在较高温度下,基准电压源的老化速度往往也更快。

这一规格常常被忽视,但它也可能成为主要误差源。它本质上是机械性的,是热循环导致芯片应力改变的结果。经过很大的温度循环之后,在给定温度下可以观察到迟滞,其表现为输出电压的变化。它与温度系数和时间漂移无关,会降低初始电压校准的有效性。

在随后的温度循环期间,大多数基准电压源倾向于在标称输出电压附近变化,因此热迟滞通常以可预测的最大值为限。每家制造商都有自己指定此参数的方法,因此典型值可能产生误导。估算输出电压误差时,数据手册(如LT1790和LTC6652)中提供的分布数据会更有用。

其他规格

根据应用要求,其他可能重要的规格包括:

● 电压噪声

● 线性调整率/PSRR

● 负载调整率

● 压差

● 电源电压范围

● 电源电流

基准电压源类型

基准电压源主要有两类:分流和串联。串联和分流基准电压源参见图4。

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图4:基准电压源

分流基准电压源

分流基准电压源是两端器件,通常设计为在指定电流范围内工作。虽然大多数分流基准电压源是带隙类型并提供多种电压,但可以认为它们与齐纳二极管型一样易用,事实也确实如此。

最常见的电路是将基准电压源的一个引脚连接到地,另一个引脚连接到电阻。而电阻的一个引脚连接到电阻,另一个引脚连接到电源。这样,它实质上变成一个三端电路。基准电压源和电阻的公共端是输出,而电阻电压源和电阻的公共端也是输出。电阻的选择必须适当,使得在整个电源范围和负载电流范围内,通过基准电压源的最小和最大电流都在额定范围内。如果电源电压和负载电流变化不大,这些基准电压源很容易用于设计。如果其中之一或二者可能发生重大变化,通常会导致电路实际耗散功率比标称情况所需大得多。从这个意义上讲,它可以被认为像A类放大器一样运作。

分流基准电压源的优点包括:设计简单,封装小,在宽电流和负载条件下具有良好的稳定性。此外,它很容易设计为负基准电压源,并且可以配合非常高的电源电压使用(因为外部电阻会分摊大部分电位),或配合非常低的电源电压使用(因为输出可以仅低于电源电压几毫伏)。分流产品包括LT1004、LT1009、LT1389、LT1634、LM399和LTZ1000。典型分流电路如图5所示。

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图5:分流基准电压源

串联基准电压源

串联基准电压源是三(或更多)端器件。它更像低压差(LDO)稳压器,因此其许多优点是相同的。最值得注意的是,其在很宽的电源电压范围内消耗相对固定的电源电流,并且只在负载需要时才传导负载电流。这使其成为电源电压或负载电流有较大变化的电路的理想选择。它在负载电流非常大的电路中特别有用,因为基准电压源和电源之间没有串联电阻。

串联产品包括LT1460、LT1790、LT1461、LT1021、LT1236、LT1027、LTC6652、LT6660等等。LT1021和LT1019等产品可以用作分流或串联基准电压源。串联基准电压源电路如图6所示。

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图6:串联基准电压源

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