如何选择电压基准

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Analog Devices 公司
产品市场经理
 
Brian Black
 
 
在模拟和混合信号电路中,以电压基准为标准测量其他信号。电压基准的不准确及其变化会直接影响整个系统的准确度。我们来看一下,选择电压基准时,准确度规格和其他标准是如何起作用的。
 
初始精度指的是,在给定温度 (通常是 25°C) 时测得的输出电压的变化幅度。尽管各个电压基准的初始输出电压可能有所不同,但是如果给定基准的初始输出电压是恒定的,就很容易校准。
 
温度漂移也许是评估电压基准性能时使用最为广泛的性能规格,因为温度漂移显示输出电压随温度的变化。温度漂移由电路组件的瑕疵和非线性引起。很多器件的温度漂移都以 ppm/°C 为单位规定,是主要的误差源。器件的温度漂移如果是一致的,就可以进行一定程度的校准。
 
关于温度漂移有一种常见的错误认识,那就是:它是线性的。但是,不应该想当然地认为基准的漂移量在较小的温度范围内就会较小。温度系数 (TC) 通常是用一种“箱形法”来规定,以表达整个工作温度范围内可能出现的误差情况。它是通过划分整个温度范围内的最小-最大电压差,并除以总温度范围来计算的 (图 1)。这些最小和最大电压值可能并不出现在极端温度下,因而形成了 TC 远远大于针对整个规定温度范围计算之平均值的区域。对于最谨慎调谐的基准 (这通常可通过其非常低的温度漂移予以识别) 而言尤其如此,在此类基准中,已经对线性漂移分量进行了补偿,留下的是一个残余非线性 TC。
 
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图 1:电压基准温度特性
 
温度漂移性能规格的最佳用途是,计算所规定温度范围内的最大总体误差。在未规定温度范围的情况下计算误差,一般是不可取的,除非非常了解温度漂移特性。
 
长期稳定性衡量基准电压随时间推移的变化趋势,不受其他变量影响。初始漂移大部分是由机械应力变化引起的,是由引线框架、芯片和模具所用化合物的膨胀率不同导致的。这种应力效应往往产生很大的初始漂移,但漂移随时间推移很快减小。初始漂移也和电路元件的电气特性变化有关,包括器件特性在原子级别的稳定性。较长期的漂移由电路元件的电气变化引起,常常称为“老化”。与初始漂移相比,长期漂移往往发生得较慢,并随时间推移而减小。因此,长期漂移常常以“漂移/√kHr”为单位规定。温度较高时,电压基准往往老化更快。
 
热迟滞是一项常常被忽视的性能规格,但有可能成为主要误差源。热迟滞本质上是机械变化引起的,由于热循环导致芯片应力改变而产生。经过一个大的温度周期后,在给定温度上输出电压的变化就可以看作热迟滞。热迟滞不受温度系数和时间漂移影响,降低了初始电压校准的有效性。
在接下来的温度周期中,大多数基准都会围绕标称输出电压变化,因此热迟滞通常限制到一个可预测的最大值上。每个制造商都用自己的方法规定热迟滞参数,因此比较热迟滞参数的典型值可能产生误导。估计输出电压误差时,诸如 LT6654 和 LT6656 的数据表中提供的分布数据有用得多。
 
最近,一类新的电压基准进入了市场。这些产品采用密封的表面贴装封装,与采用传统塑料SOT-23 和 MSOP 封装的相同产品相比,新产品的长期稳定性和热迟滞性能都有显著改进。新产品包括 LTC6655BHLS8-5#PBF、LT6656AILS8-1.25#PBF 和 LT6654AHLS8-2.5#PBF。
 
其他性能规格
 
视应用需求的不同而不同,其他可能也很重要的性能规格包括:
 
  • 电压噪声
  • 电压调节 / 电源抑制比 (PSRR)
  • 负载调节
  • 压差电压
  • 电源范围
  • 电源电流
 
基准类型
 
大多数电压基准是串联 (图 2) 或并联 (图 3) 型的。串联型基准是 3 (或更多) 端子器件,类似于低压差 (LDO) 稳压器,有很多与 LDO 同样的优点。串联型基准在很宽的电源电压范围内消耗大小相对固定的电源电流,仅当负载需要时,才提供负载电流。这使串联型基准非常适合电源电压或负载电流变化较大的电路。ADI 公司提供的串联型基准包括 LT6654、LTC6655、LT6656 等。
 
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图 2:并联型电压基准
 
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图 3:串联型电压基准
 
 
并联型基准是两端子型的,通常在规定的电流范围内工作。最常见的电路将基准的一个端子接地,另一个端子连接一个电阻器。电阻器剩下的那个端子连接电源。这就产生了一个 3 端子电路。基准 / 电阻器公用端子是输出端。选择电阻器时必须保证,在整个电源范围和负载电流范围内,通过基准的最大和最小电流处在规定的范围内。如果电源电压或负载电流可能大幅度变化,那么选择电阻器时,必须保证适合这种变化幅度,这常常迫使电路消耗比标称情况所需大得多的功率。
 
并联基准的优势包括设计简单、封装小巧以及宽电流和负载范围内的上佳稳定性。此外,它们还可容易地设计为负电压基准,并能采用非常高的电源电压 (因为外部电阻器承载了大部分电压) 或非常低的电源 (因为输出可低至电源以下几 mV)。产品实例包括 LT1004、LT1009、LM399 和 LTZ1000。
 
LT1021 、LT1019 等产品既可作为并联型又可作为串联型电压基准运行。
 
选择基准
 
现在我们来考虑,下次选择电压基准时,如何使用这些信息。如果电源电压非常高,那么两端子并联型基准也许是最佳选择。另一方面,如果电源电压或负载电流预计变化范围很大,那么串联型基准也许是更好的选择。
 
计算基准的总体准确度时,要考虑应用要求的精确度。要乘以温度漂移和电压基准的规定温度范围 (ADI 在 0°C 至 70°C、–40°C 至 85°C、和 –40°C 至 125°C 等各种温度范围内提供有保证的性能规格)。要了解总体准确度,就要通盘考虑初始精度误差、热迟滞和产品预期寿命期内的长期漂移。对于要求最严格的应用而言,还可以加上噪声、电压调节和负载调节误差。例如,一个 0.1% (1000ppm) 初始精度误差、在 –40°C 至 85°C 范围内温度漂移为 25ppm/°C、200ppm 热迟滞、2ppm 峰至峰值噪声和 50ppm/√kHr 长期稳定性的基准,总体不确定性在电路构建时超过 4300ppm。在电路加电后的第一个 1000 小时中,这种不确定性增加 50ppm。初始精度可以校准,因此误差可降至 3300ppm + 50ppm x √(t/1000 小时)。
 
还要考虑最大预期电源电压、功耗和负载电流。负载会吸取很大的电流吗? 或者负载产生的电流基准必须吸收吗? 很多基准仅能向负载提供较小的电流,几乎没有基准能吸收很大的电流。负载调节性能规格是一个良好的指导性指标。
 
基准采用的封装多种多样,包括塑料封装 (例如 SOT-23)、密封表面贴装封装 (例如 LT6654AHLS8-2.5#PBF) 甚至金属外壳。严密注意安装方法和摆放位置可以最大限度减小应力及相关的不准确度。参见 ADI 提供的应用指南 (Application Note) AN82 (Understanding and Applying Voltage References) 以了解和使用电压基准,并获得更详细的信息。
 
结论
 
选择电压基准时,需要全面了解系统对准确度的要求,在计算中考虑到所有相关误差源。除了初始精度和温度漂移,长期稳定性和迟滞也是重要的误差来源。负载电流等其他性能规格也可能成为决定性因素。ADI 提供了多种电压基准产品,以满足几乎任何应用的需求。