深入淺出常用元器件系列——電壓基準(zhǔn)

　　由于數(shù)字電路、微控制器的飛速發(fā)展，原來(lái)很多由模擬電路完成的任務(wù)變?yōu)橛蓴?shù)?；旌想娐穪?lái)完成。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波等預(yù)處理后送入ADC轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)或DSP進(jìn)行信號(hào)處理;由單片機(jī)、DSP的計(jì)算數(shù)字結(jié)果經(jīng)由DAC轉(zhuǎn)化為模擬量對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行控制。

　　在上述信號(hào)鏈路中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)就是A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換，這是連接模擬世界與數(shù)字世界的橋梁。在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，基準(zhǔn)電壓芯片起到舉足輕重的作用，它為模擬信號(hào)的量化工作提供標(biāo)準(zhǔn)。電子工程師越來(lái)越多地使用不同規(guī)格的基準(zhǔn)電壓芯片。但是，很多人剛開(kāi)始接觸基準(zhǔn)電壓芯片時(shí)感到一籌莫展，甚至有些工程師也只關(guān)心基準(zhǔn)電壓芯片的精度(其實(shí)是初始精度)這一指標(biāo)。

　　下面我們一起來(lái)揭開(kāi)基準(zhǔn)電壓芯片的神秘面紗。

　　基準(zhǔn)電壓芯片的分類

　　從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)分，基準(zhǔn)電壓芯片可分為串聯(lián)穩(wěn)壓型和并聯(lián)穩(wěn)壓型兩種。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)和穩(wěn)壓原理來(lái)看，可分為齊納二極管型(包括基于齊納二極管的集成基準(zhǔn)電壓源)和帶隙式(band-gap)兩類。

　　最簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓芯片就是齊納穩(wěn)壓二極管，它也是典型的并聯(lián)穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)——負(fù)載與基準(zhǔn)電壓芯片為并聯(lián)連接。普通的齊納二極管型的基準(zhǔn)電源源具有初始精度不太好，噪聲較大等缺點(diǎn)，在當(dāng)前的電路設(shè)計(jì)中已經(jīng)很少作為基準(zhǔn)電壓源使用。但經(jīng)過(guò)特殊補(bǔ)償、采用深埋工藝的齊納管型基準(zhǔn)源，具有很好噪聲指標(biāo)、非常優(yōu)異長(zhǎng)期穩(wěn)定性和溫漂特性，在高端測(cè)量領(lǐng)域依然不可替代。例如LM399，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性達(dá)20ppm/1000h，溫漂低至0.3ppm/ ,而性能更好的LTZ1000長(zhǎng)期穩(wěn)定性達(dá)到驚人0.3ppm/1000h，溫漂達(dá)到0.05ppm/ 。這兩款基準(zhǔn)電壓源雖已生產(chǎn)了幾十年時(shí)間，但由于其無(wú)與倫比的性能指標(biāo)，在對(duì)基準(zhǔn)電壓源要求嚴(yán)苛的高精度測(cè)量領(lǐng)域，如6位以上萬(wàn)用表、高精度稱重等，這兩款芯片直到今天依然不可替代。

　　在通用電路設(shè)計(jì)中，帶隙式基準(zhǔn)電壓源以其相對(duì)低廉的價(jià)格、較高的性能指標(biāo)得到非常廣泛的應(yīng)用。從TL431、LM385、LM336等價(jià)格非常便宜的基準(zhǔn)源到MAX6535、ADR431、REF5025等性能非常優(yōu)秀的高精度基準(zhǔn)電壓源，帶隙式基準(zhǔn)電壓源幾乎無(wú)處不在。下圖為帶隙結(jié)構(gòu)示意圖，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)它采用一個(gè)帶有負(fù)溫度系數(shù)的BE結(jié)對(duì)帶有正溫度系數(shù)的電壓產(chǎn)生器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，得到近似零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源。對(duì)帶隙結(jié)構(gòu)感興趣的朋友，可以專門(mén)查閱相關(guān)專著，限于篇幅這里不對(duì)此展開(kāi)論述。

　　現(xiàn)代電壓基準(zhǔn)主要參數(shù)

　　長(zhǎng)期穩(wěn)定性，之所以將這個(gè)參數(shù)排在最前面，是由于這是一個(gè)非常重要但卻被很多人忽視的參數(shù)。通常以ppm/1000h為單位，即每1000小時(shí)基準(zhǔn)源的輸出變化多少，也就是老化性能。很多國(guó)產(chǎn)儀器儀表隨著使用時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，精度變得越來(lái)越差，有很大一部分原因是由于基準(zhǔn)源的老化性能不好。通常這個(gè)參數(shù)隨著基準(zhǔn)源的使用時(shí)間越來(lái)越小，所以有些廠家會(huì)標(biāo)識(shí)第二個(gè)1000小時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)，如下圖為某精度基準(zhǔn)電壓源的老化參數(shù)，第二個(gè)1000小時(shí)的老化指標(biāo)明顯優(yōu)于第一個(gè)1000小時(shí)。

　　溫度系數(shù)，顧名思義指基準(zhǔn)源輸出隨溫度變化的指標(biāo)。根據(jù)系統(tǒng)工作溫度范圍，為系統(tǒng)中的ADC、DAC選擇適當(dāng)溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源非常重要。否則，隨著溫度的變化，ADC或DAC將達(dá)不到設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。另外值得注意的是，基準(zhǔn)電壓源的溫度特性通常可以經(jīng)過(guò)校正達(dá)到更好的指標(biāo)(由于溫度遲滯等特性，理論上不能完全消除)。

　　初始精度，指上電時(shí)輸出電壓與標(biāo)稱電壓之間的差值。由于基準(zhǔn)源的初始電壓是一個(gè)對(duì)外部條件(溫度、輸入電壓等)不太敏感的定值，所以比較容易進(jìn)行校準(zhǔn)。與溫度系數(shù)、老化指標(biāo)相比，重要性略差一些。例如前文提到的頂級(jí)基準(zhǔn)電壓源LTZ1000的初始精度只有4%，比tl431還要差一些，但這不并妨礙它成為頂級(jí)基準(zhǔn)源。

　　噪聲，基準(zhǔn)源的噪聲通常是隨機(jī)噪聲，但也可能包含閃爍噪聲和其它寄生噪聲源，在電路設(shè)計(jì)時(shí)需要注意基準(zhǔn)源的噪聲處理，防止基準(zhǔn)源噪聲對(duì)轉(zhuǎn)化精度造成影響。噪聲的表示方法通常有均方根噪聲和峰峰值噪聲兩種表示方式。