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    穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)介紹
    • 發(fā)布時(shí)間:2021-06-30 19:21:16
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    穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)介紹
    為了更快速有效地連接模擬和數(shù)字世界以利用物聯(lián)網(wǎng)(IoT),忽略電壓基準(zhǔn)的關(guān)鍵作用是容易但不明智的。模數(shù)(ADC)和數(shù)模(DAC)轉(zhuǎn)換器用作“判斷”模擬輸入和輸出值的主要標(biāo)準(zhǔn),有助于確保準(zhǔn)確的信號(hào)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,但僅限于此適當(dāng)選擇并正確應(yīng)用。
    本文將簡(jiǎn)要介紹電壓基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和特性,并描述如何選擇電壓基準(zhǔn)。舉例來說,它將引入ADI公司 ADR43x系列的電壓基準(zhǔn),以說明設(shè)計(jì)人員可利用的各種特性,增強(qiáng)功能和特性,以充分利用現(xiàn)代電壓基準(zhǔn)。在此過程中,它將展示如何應(yīng)用ADR43x器件,使其保持在可接受的限制范圍內(nèi),以使ADC,DAC和整個(gè)系統(tǒng)充分發(fā)揮其潛力。
    電壓參考的關(guān)鍵作用
    在基本形式中,電壓基準(zhǔn)是一個(gè)三端子器件,帶有電源軌,接地(公共)和精密輸出電壓連接(圖1)。不適合該任務(wù)或未正確應(yīng)用的參考將是不準(zhǔn)確的,并且將損害轉(zhuǎn)換器輸出的有效性和可信度。
    穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)電路
    一旦設(shè)計(jì)人員在標(biāo)稱輸出電壓,精度和容差以及其他參數(shù)方面選擇了合適的參考,則挑戰(zhàn)在于使用該參考,使指定的性能完全滿足應(yīng)用要求,并且器件的性能是不妥協(xié)。這一點(diǎn)的重要性不容小覷。如上所述,電壓參考是ADC在將數(shù)字化電壓時(shí)判斷模擬輸入電壓的主要標(biāo)準(zhǔn)。在DAC的情況下,穩(wěn)定可靠的電壓基準(zhǔn)允許轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于輸入數(shù)字代碼的精確模擬輸出電壓。
    選擇參考
    三個(gè)技術(shù)最常用于固態(tài)引用:埋齊納二極管,使用晶體管V帶隙的方法是,XFET ®配置,它有兩個(gè)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管串聯(lián)工作。
    雖然電壓參考設(shè)計(jì)人員可能會(huì)討論每種方法的細(xì)微之處和屬性(有充分理由),但對(duì)于大多數(shù)電壓參考用戶而言,重點(diǎn)在于性能,權(quán)衡,應(yīng)用和成本問題。這是這里采取的觀點(diǎn)。
    由于所使用技術(shù)的基礎(chǔ)器件物理特性,電壓基準(zhǔn)的內(nèi)部核心基準(zhǔn)可能處于“笨拙”值,而電壓基準(zhǔn)設(shè)計(jì)有內(nèi)部電路,以確保其輸出電壓與轉(zhuǎn)換器分辨率匹配良好。以及系統(tǒng)需求。
    例如,許多參考作為一系列相同的設(shè)備提供,可選擇輸出值,例如2.048,2.5,3.0,4.096和5.0伏。2.048伏和4.096伏的版本很方便,因?yàn)樗鼈?ldquo;均勻”地映射到轉(zhuǎn)換器分辨率; 例如,使用4.096伏參考的12位轉(zhuǎn)換器的標(biāo)稱比例為1毫伏(mV)/轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)。
    初始參考精度以百分比或毫伏為單位指定,精度可能會(huì)有很大差異,因?yàn)槟承?yīng)用需要比其他應(yīng)用更高的精度。通常,更高的準(zhǔn)確度更難以實(shí)現(xiàn)和維護(hù); 典型的參考規(guī)格是在所有條件下的±0.1%的最大誤差。然而,底層拓?fù)浜凸に嚰夹g(shù)的進(jìn)步使得該規(guī)范得以改進(jìn)。例如,4.096伏ADR434基準(zhǔn)電壓源采用XFET方法,初始精度為±5 mV(A后綴)或±1.5 mV(B后綴)。
    然而,有許多應(yīng)用的絕對(duì)精度是參考穩(wěn)定性和長(zhǎng)期一致性的次要因素。原因可能是隨后可以校正數(shù)字化數(shù)據(jù),或者絕對(duì)精度不如比較結(jié)果及其變化那么重要,這兩者都是參考穩(wěn)定性的函數(shù)。因此,參考的選擇必須評(píng)估需要多少絕對(duì)精度與需要多少穩(wěn)定性以及如何保持穩(wěn)定性。
    這種穩(wěn)定性因素具有重要的考慮因素。是短期使用,例如在短暫實(shí)驗(yàn)期間獲取數(shù)據(jù)的情況?或者是長(zhǎng)期數(shù)據(jù)采集超過一年還是更長(zhǎng)時(shí)間?這些是設(shè)計(jì)師必須提前為每個(gè)項(xiàng)目回答的問題。
    外部參考與內(nèi)部參考
    還有一個(gè)更基本的問題:你甚至需要一個(gè)獨(dú)立的外部參考嗎?AD7605-4BSTZ ADC 等轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考電壓,可節(jié)省電路板空間和物料清單(BOM)(圖2)。此外,數(shù)據(jù)手冊(cè)可以提供完全表征的ADC讀取精度的規(guī)范,因?yàn)閰⒖嫉男阅艹蔀檗D(zhuǎn)換器IC整體性能的一部分。
    穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)電路
    但是,即使轉(zhuǎn)換器內(nèi)核適用,內(nèi)部基準(zhǔn)也可能無法提供所需的性能,因此大多數(shù)轉(zhuǎn)換器都具有外部基準(zhǔn)的連接。請(qǐng)注意,高度專用且成本敏感的轉(zhuǎn)換器(例如低端音頻通道的轉(zhuǎn)換器)可能具有符合目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部轉(zhuǎn)換器,因此不需要外部參考。盡管如此,假設(shè)任何外部參考自動(dòng)提供比內(nèi)部參考更好的結(jié)果是簡(jiǎn)單的,因?yàn)閮?nèi)部參考的性能可能與其相關(guān)轉(zhuǎn)換器的規(guī)格相當(dāng)。
    考慮使用外部參考電壓還有另一個(gè)原因,即使內(nèi)部參考電壓足夠。在不僅僅有一個(gè)轉(zhuǎn)換器IC的設(shè)計(jì)中,各個(gè)內(nèi)部參考可能不同或彼此不相同。由于參考文獻(xiàn)的差異,它們的結(jié)果數(shù)據(jù)將存在不一致性,這會(huì)使數(shù)據(jù)難以與無法解決的無法解決的錯(cuò)誤相關(guān)聯(lián)。
    因此,對(duì)于具有多個(gè)轉(zhuǎn)換器的高性能系統(tǒng),通常最好使用單個(gè)共享外部參考。然而,這樣做引起了對(duì)參考“驅(qū)動(dòng)”多個(gè)轉(zhuǎn)換器而不降低其基本性能的能力的擔(dān)憂,這是下面討論的考慮因素。
    維護(hù)參考的性能
    除初始精度和公差規(guī)范外,參考文獻(xiàn)還必須解決一些問題,以確保性能保持在可接受的范圍內(nèi)。這些問題包括:
    布局問題,包括電壓降和噪聲
    輸出驅(qū)動(dòng)(源/接收器),負(fù)載緩沖和瞬態(tài)性能
    短期穩(wěn)定性和溫度相關(guān)的漂移
    由于老化,物理壓力和包裝導(dǎo)致的長(zhǎng)期漂移
    1.布局問題,包括電壓降和噪聲:與任何敏感的模擬信號(hào)一樣,即使是提供靜態(tài)電壓的信號(hào),參考輸出和轉(zhuǎn)換器之間也可能存在過大的電流阻抗(IR)電壓降。雖然大多數(shù)參考負(fù)載低至幾十毫安(mA),但即使通過100毫歐(mΩ)的10 mA的適度負(fù)載也會(huì)導(dǎo)致1 mV的電壓降,這可能會(huì)給預(yù)算帶來很大的誤差。
    ADR43x系列電壓基準(zhǔn)通過在開爾文連接配置中將外部運(yùn)算放大器(運(yùn)算放大器)的強(qiáng)制環(huán)路中的布線電阻包括在內(nèi)來克服了這一問題(圖3)。放大器檢測(cè)負(fù)載電壓,因此運(yùn)算放大器的環(huán)路控制強(qiáng)制輸出補(bǔ)償接線錯(cuò)誤,從而在負(fù)載產(chǎn)生正確的電壓。
    穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)電路
    由于負(fù)載噪聲,接地(公共)噪聲以及來自不充分去耦的電源軌的噪聲拾取,外部噪聲也會(huì)影響轉(zhuǎn)換器上的參考電壓。此外,參考還具有低頻(0.1赫茲(Hz)至10.0Hz)和必須評(píng)估的高頻(10Hz至25千赫茲(kHz))內(nèi)部噪聲。高性能基準(zhǔn)電壓源(如ADR43x系列中的基準(zhǔn)電壓源)具有低于3.5微伏(μV)峰峰值(pp)和高頻噪聲的低頻噪聲。
    顯示了ADR431BRZ-REEL7的噪聲密度譜(圖4)。對(duì)于不同的容性負(fù)載,它相對(duì)平坦到大約1 kHz,然后開始上升; 對(duì)于零容性負(fù)載,它保持平坦。
    穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)電路
    降低噪聲的最常用策略是添加一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻 - 電容(RC)濾波器。然而,許多參考文獻(xiàn)的輸出放大器可能變得不穩(wěn)定并且在大容性負(fù)載下振蕩,因此除非參考設(shè)計(jì)用于輸出,否則不能選擇將幾微法(μF)的較大電容連接到輸出。對(duì)于ADR43x器件,如果高頻噪聲仍然超出要求,則可以使用簡(jiǎn)單的RC濾波器補(bǔ)充基準(zhǔn)電壓源的基本連接(圖5)。
    穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)電路
    請(qǐng)注意,ADR43x每個(gè)引腳都提供一個(gè)外部引腳,可以訪問內(nèi)部補(bǔ)償節(jié)點(diǎn),允許在關(guān)鍵電路點(diǎn)添加外部串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)(圖6)。
    穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)電路
    添加RC電路允許用戶“過度補(bǔ)償”內(nèi)部運(yùn)算放大器并避免不穩(wěn)定。用戶可以選擇電容值,以達(dá)到可接受的低噪聲水平與頻率的關(guān)系(圖7)。
    穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)電路
    2.輸出驅(qū)動(dòng)(源/接收器),負(fù)載緩沖和瞬態(tài)性能:大多數(shù)基準(zhǔn)電壓源都是內(nèi)部緩沖的,可以提供和吸收高達(dá)5或10 mA的電流。如果所需的負(fù)載電流大于參考的源/吸收額定值,則需要外部緩沖器(通常為單位增益)。然而,緩沖器可能不是所希望的,因?yàn)槠淙毕荩ú痪_,漂移)的潛在影響可能會(huì)使參考超出系統(tǒng)規(guī)范。
    在許多情況下,ADR43x系列不需要外部電流升壓緩沖器,因?yàn)樗哂邢鄬?duì)較高的+30 mA電源和-20 mA灌電流額定值。
    此外,參考上的負(fù)載不一定是恒定的,但可能隨著ADC(或DAC)內(nèi)部切換而變化。如果轉(zhuǎn)換器上的外部參考輸入被緩沖,這不是問題; 如果不是,則必須檢查參考的瞬態(tài)性能。在某些情況下,參考和轉(zhuǎn)換器之間需要一個(gè)外部緩沖器,以便在瞬態(tài)負(fù)載下提供驅(qū)動(dòng); 再次,緩沖區(qū)的性能必須考慮到系統(tǒng)錯(cuò)誤分析中。
    3.短期穩(wěn)定性和與溫度相關(guān)的漂移:由于有源電路穩(wěn)定的時(shí)間和芯片上的熱梯度穩(wěn)定,參考輸出將漂移。大多數(shù)基準(zhǔn)電壓源的導(dǎo)通建立時(shí)間通常取決于負(fù)載電容,但負(fù)載電容對(duì)負(fù)載較小的ADR431的影響最小(圖8和圖9)。
    穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)電路
    穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)電路
    數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了定義溫度下的參考精度,通常與開啟值不同。由溫度變化引起的輸出變化很容易超過系統(tǒng)精度要求,因此需要具有適當(dāng)?shù)推埔?guī)格的參考。ADR43x系列的額定工作溫度范圍為-40°C至+ 125°C; 對(duì)于ADR434A(4.096伏,±5 mV初始精度),該系數(shù)為百萬分之10(ppm)/°C,而該系列的其他成員的值低至3 ppm /°C。
    4.由于老化,物理壓力和包裝造成的長(zhǎng)期漂移:漂移往往是參考不準(zhǔn)確的重要原因。考慮一個(gè)需要電壓基準(zhǔn)的應(yīng)用,在±0.1%的溫度范圍內(nèi)具有總精度。設(shè)計(jì)人員可選擇高性能參考,初始精度為±0.05%,溫度系數(shù)極低,為±5 ppm /°C。
    在25°C和125°C之間,由溫度系數(shù)引起的漂移將為5 ppm /°C×100°C,或500 ppm(0.05%),因此總誤差(初始誤差+漂移誤差)將滿足要求±0.1%。一些高端應(yīng)用將參考放置在溫度控制的烤箱中,類似于用于溫度穩(wěn)定的頻率設(shè)定晶體和時(shí)鐘的烤箱,但這對(duì)于大多數(shù)情況來說是不可取或不實(shí)用的。
    隨著參考精度的提高,其基本長(zhǎng)期漂移(LTD)成為維持該精度的更大因素。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來說,LTD提出了一個(gè)特殊的挑戰(zhàn),因?yàn)樗彩巧a(chǎn)程序和產(chǎn)品使用模式的一個(gè)功能,而不僅僅是設(shè)計(jì)的徹底性和相關(guān)的組件選擇。在電路板裝配期間發(fā)生的封裝上的應(yīng)力是LTD的主要原因。由于暴露在電路板焊接過程的高溫下,塑料封裝的IC會(huì)稍微改變形狀,這種應(yīng)力引起的尺寸變化會(huì)給電壓參考芯片帶來壓力。
    結(jié)果是電壓參考的輸出隨著這些機(jī)械的,與裝配相關(guān)的應(yīng)力消退并在數(shù)小時(shí),數(shù)天甚至數(shù)周內(nèi)恢復(fù)正常而改變。變化量取決于布局,器件封裝和其他因素,并且通常在數(shù)十ppm的量級(jí)。此外,當(dāng)器件在一年的時(shí)間內(nèi)老化時(shí),參考的芯片和封裝關(guān)系甚至?xí)?ldquo;穩(wěn)定”,因此一些參考文獻(xiàn)指定在更長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)漂移。
    大多數(shù)參考數(shù)據(jù)表提供LTD規(guī)格作為運(yùn)行前1000小時(shí)后的典型漂移; ADR43x系列數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了40 ppm(典型值)的1000小時(shí)LTD,但也注意到后續(xù)1000小時(shí)內(nèi)的漂移明顯低于前1000小時(shí)內(nèi)的漂移。
    這種應(yīng)力引起的漂移的一個(gè)解決方案是在幾小時(shí)內(nèi)使板熱循環(huán)幾次,因?yàn)檫@將加速內(nèi)應(yīng)力的緩解。另一種解決方案是考慮在陶瓷封裝中使用電壓基準(zhǔn),因?yàn)樗鼈兺ǔ1人芰戏庋b更穩(wěn)定并且具有比塑料封裝更低的彎曲水平。但是,陶瓷封裝中沒有許多參考文獻(xiàn); 但這可能不是問題,因?yàn)樽钚乱淮乃芰蠀⒖继峁┑腖TD性能幾乎與陶瓷封裝器件一樣好。
    最后,設(shè)計(jì)人員不能忽視其自身電源軌上瞬態(tài)電壓參考的影響; 畢竟,參考是一種專門的“電源”在很多方面。因此,負(fù)載變化不僅可能影響輸出精度,而且穩(wěn)定和干凈的直流(DC)輸入線是保持指定性能的另一個(gè)因素。也就是說,精心設(shè)計(jì)的電壓基準(zhǔn)將嚴(yán)格調(diào)節(jié)功率輸入。所述ADR431指定行規(guī)ΔV OUT /ΔV IN在7至18伏的輸入電壓范圍內(nèi)(圖10)5毫伏/ ppm的(典型)和20毫伏/ ppm的(最大)的。
    穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)電路
    結(jié)論
    無論是ADC或DAC的內(nèi)部還是分立的外部元件,電壓基準(zhǔn)都是使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的任何系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。基本精度,漂移和其他參數(shù)的改進(jìn)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)級(jí)性能改進(jìn)。
    如圖所示,設(shè)計(jì)人員可以在拓?fù)浜凸に嚪矫嫣峁└鞣N電壓參考特性和增強(qiáng)功能。除了增加的功能,以確保在各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)操作條件下的準(zhǔn)確性和一致的性能,看似簡(jiǎn)單的電壓參考有很多設(shè)計(jì)師尋找滿足嚴(yán)格設(shè)計(jì)要求的選項(xiàng)。
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