深入淺出常用元器件系列——電壓基準

2021-01-08 電子產品世界

　　由於數字電路、微控制器的飛速發展，原來很多由模擬電路完成的任務變為由數模混合電路來完成。模擬信號經過放大、濾波等預處理後送入ADC轉為數位訊號，由單片機或DSP進行信號處理;由單片機、DSP的計算數字結果經由DAC轉化為模擬量對執行器進行控制。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/233783.htm

　　在上述信號鏈路中一個非常重要的環節就是A/D轉換和D/A轉換，這是連接模擬世界與數字世界的橋梁。在模擬信號與數位訊號相互轉換的過程中，基準電壓晶片起到舉足輕重的作用，它為模擬信號的量化工作提供標準。電子工程師越來越多地使用不同規格的基準電壓晶片。但是，很多人剛開始接觸基準電壓晶片時感到一籌莫展，甚至有些工程師也只關心基準電壓晶片的精度(其實是初始精度)這一指標。

　　下面我們一起來揭開基準電壓晶片的神秘面紗。

　　基準電壓晶片的分類

　　從電路拓撲結構來分，基準電壓晶片可分為串聯穩壓型和並聯穩壓型兩種。從內部結構和穩壓原理來看，可分為齊納二極體型(包括基於齊納二極體的集成基準電壓源)和帶隙式(band-gap)兩類。

　　最簡單的穩壓晶片就是齊納穩壓二極體，它也是典型的並聯穩壓結構——負載與基準電壓晶片為並聯連接。普通的齊納二極體型的基準電源源具有初始精度不太好，噪聲較大等缺點，在當前的電路設計中已經很少作為基準電壓源使用。但經過特殊補償、採用深埋工藝的齊納管型基準源，具有很好噪聲指標、非常優異長期穩定性和溫漂特性，在高端測量領域依然不可替代。例如LM399，其長期穩定性達20ppm/1000h，溫漂低至0.3ppm/ ,而性能更好的LTZ1000長期穩定性達到驚人0.3ppm/1000h，溫漂達到0.05ppm/ 。這兩款基準電壓源雖已生產了幾十年時間，但由於其無與倫比的性能指標，在對基準電壓源要求嚴苛的高精度測量領域，如6位以上萬用表、高精度稱重等，這兩款晶片直到今天依然不可替代。

　　在通用電路設計中，帶隙式基準電壓源以其相對低廉的價格、較高的性能指標得到非常廣泛的應用。從TL431、LM385、LM336等價格非常便宜的基準源到MAX6535、ADR431、REF5025等性能非常優秀的高精度基準電壓源，帶隙式基準電壓源幾乎無處不在。下圖為帶隙結構示意圖，簡單來說它採用一個帶有負溫度係數的BE結對帶有正溫度係數的電壓產生器進行溫度補償，得到近似零溫度係數的基準電壓源。對帶隙結構感興趣的朋友，可以專門查閱相關專著，限於篇幅這裡不對此展開論述。

　　現代電壓基準主要參數

　　長期穩定性，之所以將這個參數排在最前面，是由於這是一個非常重要但卻被很多人忽視的參數。通常以ppm/1000h為單位，即每1000小時基準源的輸出變化多少，也就是老化性能。很多國產儀器儀表隨著使用時間越來越長，精度變得越來越差，有很大一部分原因是由於基準源的老化性能不好。通常這個參數隨著基準源的使用時間越來越小，所以有些廠家會標識第二個1000小時的長期穩定性指標，如下圖為某精度基準電壓源的老化參數，第二個1000小時的老化指標明顯優於第一個1000小時。

　　溫度係數，顧名思義指基準源輸出隨溫度變化的指標。根據系統工作溫度範圍，為系統中的ADC、DAC選擇適當溫度係數的基準電壓源非常重要。否則，隨著溫度的變化，ADC或DAC將達不到設計的性能指標。另外值得注意的是，基準電壓源的溫度特性通常可以經過校正達到更好的指標(由於溫度遲滯等特性，理論上不能完全消除)。

　　初始精度，指上電時輸出電壓與標稱電壓之間的差值。由於基準源的初始電壓是一個對外部條件(溫度、輸入電壓等)不太敏感的定值，所以比較容易進行校準。與溫度係數、老化指標相比，重要性略差一些。例如前文提到的頂級基準電壓源LTZ1000的初始精度只有4%，比tl431還要差一些，但這不並妨礙它成為頂級基準源。

　　噪聲，基準源的噪聲通常是隨機噪聲，但也可能包含閃爍噪聲和其它寄生噪聲源，在電路設計時需要注意基準源的噪聲處理，防止基準源噪聲對轉化精度造成影響。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。

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