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(lái)說(shuō)，它將引入ADI公司 ADR43x系列的電壓基準(zhǔn)，以說(shuō)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(guò)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。
一旦設(shè)計(jì)人員在標(biāo)稱(chēng)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(mǎn)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(hù)而言，重點(diǎn)在于性能，權(quán)衡，應(yīng)用和成本問(wèn)題。這是這里采取的觀(guān)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(chēng)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(guò)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(wèn)題。
外部參考與內(nèi)部參考
還有一個(gè)更基本的問(wèn)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。
但是，即使轉(zhuǎn)換器內(nèi)核適用，內(nèi)部基準(zhǔn)也可能無(wú)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(zhuān)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(wú)法解決的無(wú)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(yōu)，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(wèn)題，以確保性能保持在可接受的范圍內(nèi)。這些問(wèn)題包括：
布局問(wèn)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(wèn)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(guò)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(guò)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(lái)很大的誤差。
ADR43x系列電壓基準(zhǔn)通過(guò)在開(kāi)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(xiàn)電阻包括在內(nèi)來(lái)克服了這一問(wèn)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(xiàn)錯(cuò)誤，從而在負(fù)載產(chǎn)生正確的電壓。
由于負(fù)載噪聲，接地（公共）噪聲以及來(lái)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(kāi)始上升; 對(duì)于零容性負(fù)載，它保持平坦。
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A(yíng)DR43x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）。
請(qǐng)注意，ADR43x每個(gè)引腳都提供一個(gè)外部引腳，可以訪(fǎng)問(wèn)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）。
添加RC電路允許用戶(hù)“過(guò)度補(bǔ)償”內(nèi)部運(yùn)算放大器并避免不穩(wěn)定。用戶(hù)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）。
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(wèn)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?。▓D8和圖9）。
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(kāi)啟值不同。由溫度變化引起的輸出變化很容易超過(guò)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A(yíng)DR434A（4.096伏，±5 mV初始精度），該系數(shù)為百萬(wàn)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?？紤]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(mǎn)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(lèi)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(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(lái)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(méi)有許多參考文獻(xiàn); 但這可能不是問(wèn)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(zhuān)門(mén)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(xiàn)是保持指定性能的另一個(gè)因素。也就是說(shuō)，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。
結(jié)論
無(wú)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(mǎn)足嚴(yán)格設(shè)計(jì)要求的選項(xiàng)。
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