一文看懂單電壓基準與雙電壓基準區別

　　本文主要詳解單電壓基準與雙電壓基準區別，分別從三個拓撲結構，性能方面的不同以及佔用的空間和成本方面來詳細的解說。

　　一、兩個基準電壓的三個拓撲結構

　　諸如圖1中顯示的雙向電流感測的應用要求使用兩個良好匹配的低漂移基準電壓。第一個電壓，VREF定義ADC的滿量程範圍。需要一個偏置電 壓，VBIAS，來電平位移雙極信號。需要使VBIAS= VREF/2，這樣的話，ADC的正負擺幅相等。

　　圖1：低漂移雙向單電源低端電流感測系統

　　

　　如圖2中顯示，使用兩個單獨的電壓基準來提供一個簡單且直接的方法。

　　圖2：解決方案1（兩個獨立的基準）

　　

　　對於圖1中的應用，VREF和VBIAS分別為3.0V和1.5V。表1列出了一對低漂移基準。在將漂移、準確度和成本考慮在內時，REF5030A 是針對3V基準電壓的不錯選擇。不幸的是，低漂移、固定1.5V基準是不太容易得到的。在這個情況下，你可以選擇一個1.25V基準，諸如 LM4149B，雖然這個選擇使正負範圍失衡。

　　表1：低漂移電壓基準

　　

　　第二解決方案是可行的，使用圖3中顯示的分壓器指定一個3V電壓基準。

　　圖3：解決方案2（基準+分壓器+緩衝器）

　　

　　在這裡，VBIAS的漂移，如方程式 （1） 所示，由基準 （δREF）、電阻分壓器網絡 （δRDIV）和緩衝放大器 （δBUF） 的漂移所導致。

　　

　　對於一個相類似的低漂移解決方案，選擇具有0.1%耐受值和5ppm/°C溫度漂移的電阻器。考慮到放大器的滿量程範圍為1.5V，緩衝放大器的偏移 不是很明顯。要達到輸入偏移電壓所導致的誤差為0.1%和1ppm/°C漂移誤差的目標，此放大器應該具有少於1.5mV的偏移電壓和1.5µV/°C的 漂移。表2顯示為這個解決方案所選擇的器件。要獲得與組件選擇的更多細節，請參考TIPD156，這是一款TI設計參考庫中的電流感測參考設計。

　　表2：第二個解決方案中的組件

　　

　　二、性能方面

　　將從三個方面，即他們輸出之間的總體誤差、漂移跟蹤和匹配，來比較這三種解決方案的性能。

　　總體誤差

　　方程式 （1） 將用百分比 （%） 給出的技術規格轉換為百萬分比 （ppm） 表示的技術規格。

　　

　　每個電壓輸出的總體誤差性能指標取決於他的初始精度和工作溫度範圍內的漂移，如方程式（2） 中所給出的那樣。

　　

　　在解決方案1中，由於在數據表中沒有指定LM4140B的漂移典型值，小編們使用70ºC溫度範圍內的最大漂移技術規格來進行計算。在解決方案2中，偏 移電壓 （VBIAS） 由REF5030A，電阻器網絡和一個緩衝器產生。因此，正如第一部分中方程式 （1） 所指定的那樣，初始精度和漂移可以表示為這三個誤差源的RSS值。由於REF2030和REF5030A使用打包方法來確定漂移，計算的溫度範圍為整個工 作溫度範圍，或者說165ºC。

　　表1顯示VREF在解決方案1和解決方案2中具有相同的性能時，他的VBIAS輸出的誤差會大很多。需要注意的是，VBIAS在解決方案2中的誤差包括來自VREF的誤差。由於兩個輸出上的高初始精度和低溫度漂移，解決方案3在三個解決方案中具有最低誤差。

　　表1：每個輸出電壓誤差原因比較

　　

　　漂移跟蹤和匹配

　　這個雙輸出系統的另外一個重要技術規格是漂移跟蹤，這個參數描述了特定溫度範圍內兩個電壓之間的匹配準確度，計算方法如方程式 （3） 所示。圖1顯示了REF2030的漂移跟蹤性能典型值。

　　

　　圖1：VREF和VBIAS跟蹤與溫度之間的關係圖

　　由於小編們在解決方案1中採用了兩個獨立的電壓基準，理論上來講，這兩個基準也許不會直接相互跟蹤，所以跟蹤是他們最大溫度漂移 （11 ppm/ºC） 的RSS值。由於LM4140B的額定溫度範圍只在0°C至70ºC之間，這個漂移跟蹤只適用於這個溫度範圍。

　　在解決方案2中，由於VREF的誤差在兩個輸出上同時存在，VREF和VBIAS之間的漂移跟蹤 （δTracking） 只取決於電阻器網絡 （δRES） 和緩衝器 （δBUF） 的漂移，計算方法如方程式 （4） 所示。

　　

　　三、佔用的空間和成本

　　空間佔用和成本

　　除了系統性能之外，在高密度應用中，PCB面積要求會十分關鍵。圖1中給出了每個解決方案的總PCB空間一覽（未考慮去耦合電容器）。

　　

　　下方的表1顯示所需空間的簡單計算結果（只考慮器件本體尺寸）。通過從一個封裝尺寸為4.64 mm2的集成解決方案中提供雙輸出，相對於解決方案1和解決方案2，REF2030將佔用的總空間分別減少了83%和67%。從成本角度 看，REF2030僅為1.4美元，比解決方案1和2分別低52%和30%。

　　表1：空間佔用和成本

　　

　　結論

　　解決方案1

　　有兩個獨立的電壓基準構成，解決方案1非常簡單直接且易於實現。然而，其缺點也很明顯：電壓選項有限，在輸出間無直接漂移跟蹤。此外，解決方案1中使用的兩個低漂移高精度基準價格很高。

　　解決方案2

　　雖然需要使用更多組件並佔用更大主板空間，解決方案2比解決方案1的成本更低，並具有更好的漂移跟蹤。然而，解決方案2中VBIAS的精度要遜於解決 方案1，這是因為他取決於VREF的漂移、分壓器和緩衝放大器。在有利方面，解決方案2在設計不同偏置電壓時比較靈活，在這些設計中，VBIAS≠ VREF/2。

　　解決方案3

　　解決方案3最顯著的不同就是其單晶片解決方案。這個設計具有最佳的初始精度、更低的成本以及更小的PCB空間佔用。事實上，解決方案3輸出匹配比解決 方案2好90%，佔用的空間小67%，成本降低30%。換句話說，如果你的設計目標是一款低漂移系統，並且你不想在獲得高精度性能方面花費過多的話，解決 方案3 （REF2030） 會是一個好的選擇。

　　表2：最終比較結果

　　

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