電壓基準芯片的性能分析及應用介紹

電壓基準芯片是一類高性能模擬芯片，常用在各種數據采集系統(tǒng)中，實現高精度數據采集。幾乎所有電壓基準芯片都在為實現“高精度”而努力,但要在各種不同應用場合真正實現高精度，則需要了解電壓基準的內部結構以及各項參數的涵義，并要掌握一些必要的應用技巧。

　電壓基準芯片的分類

　　根據內部基準電壓產生結構不同，電壓基準分為：帶隙電壓基準和穩(wěn)壓管電壓基準兩類。帶隙電壓基準結構是將一個正向偏置PN結和一個與VT（熱電勢）相關的電壓串聯，利用PN結的負溫度系數與VT的正溫度系數相抵消實現溫度補償。穩(wěn)壓管電壓基準結構是將一個次表面擊穿的穩(wěn)壓管和一個PN結串聯，利用穩(wěn)壓管的正溫度系數和PN結的負溫度系數相抵消實現溫度補償。次表面擊穿有利于降低噪聲。穩(wěn)壓管電壓基準的基準電壓較高(約7V)；而帶隙電壓基準的基準電壓比較低，因此后者在要求低供電電壓的情況下應用更為廣泛。

　　根據外部應用結構不同，電壓基準分為：串聯型和并聯型兩類。應用時，串聯型電壓基準與三端穩(wěn)壓電源類似，基準電壓與負載串聯；并聯型電壓基準與穩(wěn)壓管類似，基準電壓與負載并聯。帶隙電壓基準和穩(wěn)壓管電壓基準都可以應用到這兩種結構中。串聯型電壓基準的優(yōu)點在于,只要求輸入電源提供芯片的靜態(tài)電流，并在負載存在時提供負載電流；并聯型電壓基準則要求所設置的偏置電流大于芯片的靜態(tài)電流與最大負載電流的總和，不適合低功耗應用。并聯型電壓基準的優(yōu)點在于，采用電流偏置，能夠滿足很寬的輸入電壓范圍，而且適合做懸浮式的電壓基準。

　　電壓基準芯片參數解析

　　安肯（北京）微電子即將推出的ICN25XX系列電壓基準，是一系列高精度，低功耗的串聯型電壓基準，采用小尺寸的SOT23-3封裝，提供1.25V、2.048V、2.5V、3.0V、3.3V、4.096V輸出電壓,并提供良好的溫度漂移特性和噪聲特性。

　　圖1. 串聯型電壓基準芯片和并聯型電壓基準芯片示意圖

　　表1列出了電壓基準芯片與精度相關的各項參數。首先要考慮輸出電壓的初始精度。不同型號的電壓基準芯片，初始精度可能從0.02%變化到1%。這就意味著它們能夠達到不同的系統(tǒng)精度，0.02%能夠適應12位的系統(tǒng)精度，1%只能夠適應6位的系統(tǒng)精度。對于不能自行校準的系統(tǒng)，需要根據精度要求選擇初始精度合適的芯片。多數系統(tǒng)設計者可以通過軟件或硬件校準調整初始精度誤差，因此初始精度并不是限制電壓基準芯片應用的主要因素。

　　表1.電壓基準芯片的主要參數。

　　輸出電壓的溫度漂移系數是衡量電壓基準芯片性能的一個重要參數。它代表一個平均量，可以通過這個參數估算芯片輸出電壓在整個工作溫度范圍內的變化范圍，這個參數不代表某一特定溫度點的輸出電壓隨溫度變化的斜率。由溫度漂移導致的精度誤差很難通過系統(tǒng)校準的方法來減小。

　　ICN25XX系列電壓基準芯片采用專利的補償電路和修調電路實現了良好的溫度漂移特性：在-40?C到125?C溫度范圍內，溫度漂移系數小于10ppm/?C。圖2為測試得到的典型溫度漂移曲線。

　　圖2. ICN2520 典型溫度漂移曲線

　　電壓基準芯片的輸出電壓會隨著使用時間增加而變化，通常是朝一個方向按指數特性變化，使用時間越長，變化越小，因此以公式1為單位表示電壓基準芯片的長期穩(wěn)定性，以反映輸出電壓變化量隨使用時間指數衰減。長期穩(wěn)定性是在幾個月甚至幾年的使用過程中體現出來的，很難通過出廠時的測試來保證。有些芯片會在出廠前經過一段時間的老化測試以保證較好的長期穩(wěn)定性。定期對系統(tǒng)進行校準，可以避免長期穩(wěn)定性帶來的誤差。對于無法定期校準的系統(tǒng)，就要選用具有良好的長期穩(wěn)定性的電壓基準芯片。采用金屬殼封裝的芯片，由于排除了封裝應力的影響，因而一般具有更好的長期穩(wěn)定性。