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【干貨 】 如何選擇合適的基準(zhǔn)電壓源?(一)

發(fā)布時(shí)間:2019-08-22 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】這是一個(gè)模擬世界。無論汽車、微波爐還是手機(jī),所有電子設(shè)備都必須以某種方式與“真實(shí)”世界交互。為此,電子設(shè)備必須能夠?qū)⒄鎸?shí)世界的測量結(jié)果(速度、壓力、長度、溫度)映射到電子世界中可測的量(電壓)。
 
為何需要基準(zhǔn)電壓源?
這是一個(gè)模擬世界。無論汽車、微波爐還是手機(jī),所有電子設(shè)備都必須以某種方式與“真實(shí)”世界交互。為此,電子設(shè)備必須能夠?qū)⒄鎸?shí)世界的測量結(jié)果(速度、壓力、長度、溫度)映射到電子世界中可測的量(電壓)。當(dāng)然,要測量電壓,您需要一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)就是基準(zhǔn)電壓。對系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言,問題不在于是否需要基準(zhǔn)電壓源,而是使用何種基準(zhǔn)電壓源?
 
【干貨 】 如何選擇合適的基準(zhǔn)電壓源?(一)
 
基準(zhǔn)電壓源只是一個(gè)電路或電路元件,只要電路需要,它就能提供已知電位。如果產(chǎn)品需要采集真實(shí)世界的相關(guān)信息,例如電池電壓或電流、功耗、信號大小或特性、故障識(shí)別等,那么必須將相關(guān)信號與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。每個(gè)比較器、ADC、DAC或檢測電路必須有一個(gè)基準(zhǔn)電壓源才能完成上述工作(圖1)。將目標(biāo)信號與已知值進(jìn)行比較,可以準(zhǔn)確量化任何信號。
 
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圖1:ADC的基準(zhǔn)電壓源的典型用法

基準(zhǔn)電壓源規(guī)格
基準(zhǔn)電壓源有很多形式并提供不同的特性,但歸根結(jié)底,精度和穩(wěn)定性是基準(zhǔn)電壓源最重要的特性,因?yàn)槠渲饕饔檬翘峁┮粋€(gè)已知輸出電壓。相對于該已知值的變化是誤差?;鶞?zhǔn)電壓源規(guī)格通常使用圖2定義來預(yù)測其在某些條件下的不確定性。
 
【干貨 】 如何選擇合適的基準(zhǔn)電壓源?(一)
圖2:高性能基準(zhǔn)電壓源規(guī)格(部分)

初始精度
在給定溫度(通常為25°C)下測得的輸出電壓的變化。雖然不同器件的初始輸出電壓可能不同,但如果它對于給定器件是恒定的,那么很容易將其校準(zhǔn)。
 
溫度漂移
該規(guī)格是基準(zhǔn)電壓源性能評估使用最廣泛的規(guī)格,因?yàn)樗砻鬏敵鲭妷弘S溫度的變化。溫度漂移是由電路元件的缺陷和非線性引起的,因此常常是非線性的。
 
對于許多器件,溫度漂移(TC - Temperature Coefficient,以ppm/°C為單位)是主要誤差源。溫度漂移一致的器件,是可以校準(zhǔn)的。關(guān)于溫度漂移的一個(gè)常見誤解是認(rèn)為它是線性的。這導(dǎo)致了諸如“器件在較小溫度范圍內(nèi)的漂移量會(huì)較少”之類的觀點(diǎn),然而事實(shí)常常相反。TC一般用“黑盒法”指定,以便讓人了解整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的可能誤差。它是一個(gè)計(jì)算值,僅基于電壓的最小值和最大值,并不考慮這些極值發(fā)生的溫度。
 
對于在指定溫度范圍內(nèi)具有非常好線性度的基準(zhǔn)電壓源,或者對于那些未經(jīng)仔細(xì)調(diào)整的基準(zhǔn)電壓源,可以認(rèn)為最差情況誤差與溫度范圍成比例。這是因?yàn)樽畲蠛妥钚≥敵鲭妷簶O有可能是在最大和最小工作溫度下得到的。然而,對于經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整的基準(zhǔn)電壓源(通常通過其非常低的溫度漂移來判定),其非線性特性可能占主導(dǎo)地位。
 
例如,指定為100ppm/°C的基準(zhǔn)電壓源傾向于在任何溫度范圍內(nèi)都有相當(dāng)好的線性度,因?yàn)樵黄ヅ湟鸬钠仆耆谏w了其固有非線性。相反,指定為5ppm/°C的基準(zhǔn)電壓源,其溫度漂移將以非線性為主。
 
這在圖3所示的輸出電壓與溫度特性的關(guān)系中很容易看出。注意,其中展示了兩種可能的溫度特性。未補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源表現(xiàn)為拋物線,最小值在溫度極值處,最大值在中間。此處所示的溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓源(如LT1019)表現(xiàn)為“S”形曲線,其最大斜率接近溫度范圍的中心。在后一種情況下,非線性加劇,從而降低了溫度范圍內(nèi)的總體不確定性。
 
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圖3:基準(zhǔn)電壓源溫度特性
 
溫度漂移規(guī)格的最佳用途是計(jì)算指定溫度范圍內(nèi)的最大總誤差。除非很好的理解了溫度漂移特性,否則一般不建議計(jì)算未指定溫度范圍內(nèi)的誤差。
 
長期穩(wěn)定性
該規(guī)格衡量基準(zhǔn)電壓隨時(shí)間變化的趨勢,與其他變量無關(guān)。初始偏移主要由機(jī)械應(yīng)力的變化引起,后者通常來源于引線框架、裸片和模塑化合物的膨脹率的差異。這種應(yīng)力效應(yīng)往往具有很大的初始偏移,爾后隨著時(shí)間推移,偏移會(huì)迅速減少。初始漂移還包含電路元件電氣特性的變化,其中包括器件特性在原子水平上的建立。更長期的偏移是由電路元件的電氣變化引起的,常常稱之為“老化”。與初始漂移相比,這種漂移傾向于以較低速率發(fā)生,并且隨著時(shí)間推移變化速率會(huì)進(jìn)一步降低。因此,它常常用“漂移/√khr”來表示。在較高溫度下,基準(zhǔn)電壓源的老化速度往往也更快。
 
這一規(guī)格常常被忽視,但它也可能成為主要誤差源。它本質(zhì)上是機(jī)械性的,是熱循環(huán)導(dǎo)致芯片應(yīng)力改變的結(jié)果。經(jīng)過很大的溫度循環(huán)之后,在給定溫度下可以觀察到遲滯,其表現(xiàn)為輸出電壓的變化。它與溫度系數(shù)和時(shí)間漂移無關(guān),會(huì)降低初始電壓校準(zhǔn)的有效性。
 
在隨后的溫度循環(huán)期間,大多數(shù)基準(zhǔn)電壓源傾向于在標(biāo)稱輸出電壓附近變化,因此熱遲滯通常以可預(yù)測的最大值為限。每家制造商都有自己指定此參數(shù)的方法,因此典型值可能產(chǎn)生誤導(dǎo)。估算輸出電壓誤差時(shí),數(shù)據(jù)手冊(如LT1790和LTC6652)中提供的分布數(shù)據(jù)會(huì)更有用。
 
其他規(guī)格
根據(jù)應(yīng)用要求,其他可能重要的規(guī)格包括:
● 電壓噪聲
● 線性調(diào)整率/PSRR
● 負(fù)載調(diào)整率
● 壓差
● 電源電壓范圍
● 電源電流
 
基準(zhǔn)電壓源類型
基準(zhǔn)電壓源主要有兩類:分流和串聯(lián)。串聯(lián)和分流基準(zhǔn)電壓源參見圖4。
 
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圖4:基準(zhǔn)電壓源
 
分流基準(zhǔn)電壓源
分流基準(zhǔn)電壓源是兩端器件,通常設(shè)計(jì)為在指定電流范圍內(nèi)工作。雖然大多數(shù)分流基準(zhǔn)電壓源是帶隙類型并提供多種電壓,但可以認(rèn)為它們與齊納二極管型一樣易用,事實(shí)也確實(shí)如此。
 
最常見的電路是將基準(zhǔn)電壓源的一個(gè)引腳連接到地,另一個(gè)引腳連接到電阻。而電阻的一個(gè)引腳連接到電阻,另一個(gè)引腳連接到電源。這樣,它實(shí)質(zhì)上變成一個(gè)三端電路?;鶞?zhǔn)電壓源和電阻的公共端是輸出,而電阻電壓源和電阻的公共端也是輸出。電阻的選擇必須適當(dāng),使得在整個(gè)電源范圍和負(fù)載電流范圍內(nèi),通過基準(zhǔn)電壓源的最小和最大電流都在額定范圍內(nèi)。如果電源電壓和負(fù)載電流變化不大,這些基準(zhǔn)電壓源很容易用于設(shè)計(jì)。如果其中之一或二者可能發(fā)生重大變化,通常會(huì)導(dǎo)致電路實(shí)際耗散功率比標(biāo)稱情況所需大得多。從這個(gè)意義上講,它可以被認(rèn)為像A類放大器一樣運(yùn)作。
 
分流基準(zhǔn)電壓源的優(yōu)點(diǎn)包括:設(shè)計(jì)簡單,封裝小,在寬電流和負(fù)載條件下具有良好的穩(wěn)定性。此外,它很容易設(shè)計(jì)為負(fù)基準(zhǔn)電壓源,并且可以配合非常高的電源電壓使用(因?yàn)橥獠侩娮钑?huì)分?jǐn)偞蟛糠蛛娢唬?,或配合非常低的電源電壓使用(因?yàn)檩敵隹梢詢H低于電源電壓幾毫伏)。分流產(chǎn)品包括LT1004、LT1009、LT1389、LT1634、LM399和LTZ1000。典型分流電路如圖5所示。
 
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圖5:分流基準(zhǔn)電壓源
 
串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源
串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源是三(或更多)端器件。它更像低壓差(LDO)穩(wěn)壓器,因此其許多優(yōu)點(diǎn)是相同的。最值得注意的是,其在很寬的電源電壓范圍內(nèi)消耗相對固定的電源電流,并且只在負(fù)載需要時(shí)才傳導(dǎo)負(fù)載電流。這使其成為電源電壓或負(fù)載電流有較大變化的電路的理想選擇。它在負(fù)載電流非常大的電路中特別有用,因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓源和電源之間沒有串聯(lián)電阻。
 
串聯(lián)產(chǎn)品包括LT1460、LT1790、LT1461、LT1021、LT1236、LT1027、LTC6652、LT6660等等。LT1021和LT1019等產(chǎn)品可以用作分流或串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源。串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源電路如圖6所示。
 
【干貨 】 如何選擇合適的基準(zhǔn)電壓源?(一)
圖6:串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源
 
 
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