精密電壓基準

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設計之所以是一個難題，原因之一是系統(tǒng)精度很大程度上依賴于內(nèi)部或外部DC電壓基準所建立的電壓的精度。電壓基準用來產(chǎn)生一個精確的輸出電壓，以此為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設計滿量輸入。在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）中，DC電壓基準與模擬輸入信號一起用于產(chǎn)生數(shù)字化的輸出信號。在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）中，DAC根據(jù)呈現(xiàn)在DAC輸入端上的數(shù)字輸入信號，從DC基準電壓選擇和產(chǎn)生模擬輸出。在工作溫度范圍內(nèi)的基準電壓的任何誤差將影響ADC/DAC的線性度和無寄生動態(tài)范圍（SFDR）。實際上所有電壓基準隨時間或環(huán)境因數(shù)（如濕度，氣壓，溫度）變化。因此，大多數(shù)CMOS ADC/DAC都具有只適用于≤12位分辨率應用的內(nèi)部基準，盡管轉(zhuǎn)換器可以有較高的分辨率。新型CMOS轉(zhuǎn)換器工作電壓為3.3V或5V，這就限制片上電壓基準只能用帶隙基準?？科咸峁┑耐獠炕鶞室_，外部精密基準也可連接到CMOS ADC或DAC。精密外部電壓基準與片上帶隙電壓基準相比，具有較低的溫度系數(shù)、熱遲滯和長期漂移。所以在需要高精度（14位或16位ADC/DAC）的應用中，往往需要一個外部精密電壓基準。

已經(jīng)有了某工作溫度范圍內(nèi)各種精度和初始精度的精密電壓基準。但在制造商數(shù)據(jù)表中往往不能明顯知道器件的其他關鍵參量（如輸入電壓調(diào)整率，負載調(diào)整率，初始電壓誤差，輸出電壓溫度系數(shù)（TC），輸出電壓噪聲，導通建立時間，熱遲滯，靜態(tài)電源電流和長期穩(wěn)定性）如何影響器件的初始精度。

設計出發(fā)點

新式電壓基準是用集成晶體管的帶隙，掩埋齊納二極管和結場效應晶體管設計的。每種技術具有固有的性能特性，并可用補償網(wǎng)絡或附加的有源電壓來提高其性能特性。帶隙，掩埋齊納二極管和XFET基準的基本電路結構分別示于圖1，圖2和圖3。

帶隙基準

帶隙基準最簡單的結構是用兩個晶體管，用不同的發(fā)射極面積產(chǎn)生正比于絕對溫度的電壓。VBE1和VBE2具有相反的溫度系數(shù)。電壓Vcc變換為電流I1和I2，I1和I2被鏡象反映到輸出支路，輸出方程為：

Vo=VBE1+λ(VBE1-VBE2) (1)

式中λ是比例因子，VBE1是第一個晶體管的基極——發(fā)射極電壓，VBE2是第二個晶體管的基極——發(fā)射極電壓。

帶隙基準廣泛用在ADC/DAC轉(zhuǎn)換器中以及外部基準源，因為它相當便宜。通常，帶隙基準用在需要最高10位精度的系統(tǒng)設計中。帶隙基準一般具有0.5～1.0%初始誤差和25～50ppm/℃ TC。輸出電壓噪聲一般為15～30μVp-p(0.1～10Hz)，長期穩(wěn)定性為20～30ppm/1000小時。

齊納基準

圖2所示的齊納電壓基準及其反饋放大器用于提供非常穩(wěn)定的輸出。用電流源偏置6.3V的齊納二極管。齊納電壓由電阻網(wǎng)絡R1和R2分壓。此電壓加到運放的非倒相輸入端，并被放大到所需要的輸出電壓。放大器增益由電阻網(wǎng)絡R3和R4確定，即增益G=1+R4/R3。用了6.3V齊納二極管，因為它對時間和溫度是最穩(wěn)定的齊納二極管。

輸出方程式為：



掩埋齊納二極管基準比帶隙基準昂貴，但能提供更高的性能。典型的初始誤差為0.01～0.04%，TC為1～10ppm℃，噪聲低于10μVp-p(0.1～10Hz)。長期穩(wěn)定性典型值為6～15ppm/1000小時。基于掩埋齊納的基準經(jīng)常用在12位、14位和較高分辨率的系統(tǒng)中，因為基于掩埋齊納基準的性能可通過設計中包含非線性溫度補償網(wǎng)絡而得到提高。在幾個溫度點上微調(diào)補償網(wǎng)絡可使其電性能在工作范圍達到最佳。

xFET基準

xFET是一種新的基準技術，它由兩個結型場效應管組成，其中一個多加一次溝道注入來提高夾斷電壓。兩個JFET工作在胡同的漏極電流下。把夾斷電壓之差進行放大，用來形成電壓基準。方程式是：



式中ΔVp是兩個FET夾斷電壓之差，IPTAT是正溫度系數(shù)校正電流。
簡化的xFET基準電路圖示于圖3。

xFET基準是相當新的，它的性能水平處在帶隙和齊納基準之間。典型的初始誤差為0.06%，TC為10ppm/℃，噪聲為15μVp-p(0.1～10Hz)。長期穩(wěn)定性為0.2ppm/1000小時。

14位轉(zhuǎn)換器的基準選擇

對電壓基準規(guī)定的參量包括輸入電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率、初始電壓誤差，輸出電壓溫度系數(shù)（TC）、輸出電壓噪聲、導通建立時間、熱遲滯、靜態(tài)電源電流和長期穩(wěn)定度。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計最主要的參量是電壓基準器件的初始誤差、輸出電壓溫度系數(shù)（TC）、熱遲滯、噪聲和長期穩(wěn)定性。

表1列出在本應用中進行比較的三種基準的主要誤差源。數(shù)據(jù)表示了在工業(yè)溫度范圍（-40℃～+85℃）內(nèi)8引腳DIP封裝的每種相應型號最高級別。最壞性能基準是帶隙型，未包括在表1中。掩埋齊納二極管的總性能優(yōu)于帶隙器件和xFET基準。帶3階溫度補償網(wǎng)絡的掩埋齊納基準（VRE3050）對于初始誤差、TC和熱遲滯來講是最好的。

表1 電壓基準的主要誤差源

注：表中VRE3050，MAX6205和ADR293分別為Thaler Corg，Maxim和Analog Devices公司的產(chǎn)品。

參量說明

初始誤差——在器件加電和升溫之后基準的輸出電壓容限。它通常不加負載測量。在很多應用中，初始誤差是最重要的指標。儀器制造商往往規(guī)定嚴格的初始誤差，所以在組裝之后不必進行室溫系統(tǒng)校正。

溫度系數(shù)（TC）——溫度變化所引起的輸出電壓變化，通常用ppm/℃表示。它是僅次于初始精度的第二個最重要性能指標。對于很多儀器制造商，當電壓基準的溫度系數(shù)小于2ppm/℃時不必進行系統(tǒng)溫度校正（一種耗時又費錢的過程）。在三種關于TC規(guī)范的方法（斜率、蝶形和盒式）中，盒式方法是最通用的。盒式方法由工作溫度范圍內(nèi)額定輸出電壓的最小/最大值構成。其方程式為：



此方法更精確地保持與測試方法的一致性，并提供比其他方法更接近于實際誤差的估算。盒式方法保證了溫度誤差的范圍但沒有規(guī)定被測器件的形狀和斜率。假定在工業(yè)溫度范圍內(nèi)TC為0.6ppm/℃的一個5V基準，則由盒式計算方法得出的曲線示于圖4。

在工業(yè)溫度范圍（-40℃～+85℃）內(nèi)設計一個14位精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將需要TC為1.0ppm/℃的電壓基準（假若允許基準引起的誤差相當于1LSB）。如果基準引起1/2 LSB等效誤差，將需要電壓基準的溫度系數(shù)為0.5ppm/℃。圖5示出所需基準的TC與ΔT變化的關系曲線（在25℃處，分辨率范圍8位～20位）。

熱遲滯——由溫度變化而引起的輸出電壓變化。當基準經(jīng)受溫度變化并返回到初始溫度時，基準不總是具有相同的初始輸出電壓。熱遲滯難以校正，它是經(jīng)受溫度變化在25℃及以上的系統(tǒng)中的一個重要誤差源。電壓基準制造商正開始把此重要指標包含在數(shù)據(jù)表中。

噪聲（I/f和寬帶）——在電壓基準輸出端的電噪聲。它可包括寬帶熱噪聲和窄帶I/f噪聲。寬帶噪聲可有效地用簡單的RC網(wǎng)絡濾除。I/f噪聲是基準中固有的而不可能濾掉。此噪聲規(guī)定在0.1～10Hz范圍內(nèi)。低I/f噪聲的基準在精密設計中是重要的。

長期漂移——數(shù)日工作期間所發(fā)生的輸出電壓的慢變化。長期漂移通常用ppm/1000小時表示。在齊納基準中，長期漂移典型值為6ppm/1000小時，并隨時間呈指數(shù)減小。額外的基準溫度老化可加速齊納基準的穩(wěn)定性。XFET基準具有極好的長期穩(wěn)定性-0.2ppm/1000小時。

導通建立時間——在加電之后規(guī)定的一段時間間隔內(nèi)的電壓變化。大多數(shù)基準在10μs之內(nèi)穩(wěn)定到0.1%。導通建立時間對于便攜電池式系統(tǒng)是重要的，便攜電流式系統(tǒng)通過短時對電路供電以節(jié)省能源。

輸入電壓調(diào)整率——輸入電壓變化所產(chǎn)生的誤差。此dC指標不包括紋波電壓或輸入電壓瞬態(tài)的影響。

負載調(diào)整率——由負載電流變化所產(chǎn)生的誤差。像輸入電壓調(diào)整一樣，此dC指標不包括負載瞬態(tài)的影響。

PCB布局——不好的印刷電路板布局可嚴重的影響基準的性能。不好的布局可影響器件的輸出電壓、噪聲和熱性能。PCB中的固有應力也可傳遞到基準并改變輸出電壓。

結語

本文說明了對于高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在選擇外部基準之前對一些關鍵參量必須進行評估。XTET基準適合于保持恒溫和要求基準長期穩(wěn)定性好的系統(tǒng)。在工業(yè)工作溫度范圍內(nèi)，設計14位轉(zhuǎn)換系統(tǒng)時應選用VFRE3050基準較佳，因為VRE3050具有較好的初始誤差、TC和熱遲滯性能。