1、電壓基準(zhǔn)的特性及選用摘要從實(shí)際應(yīng)用角度，介紹了電壓基準(zhǔn)的種類(lèi)及特點(diǎn) , 主要技術(shù)參數(shù)、選用電壓基 準(zhǔn) 的方法和注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞齊納基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn) XFET 基準(zhǔn)初始精度溫度系數(shù)、電壓基準(zhǔn)及其應(yīng)用領(lǐng)域電壓基準(zhǔn)可提供一個(gè)精度遠(yuǎn)比電壓穩(wěn)壓器高的多的精確輸出電壓，作為某個(gè)電 路系統(tǒng) 中的參考比較電壓，因而稱(chēng)其為基準(zhǔn)。電壓基準(zhǔn)在某些方面與電壓穩(wěn)壓器類(lèi) 似，但二者的 用途絕然不同。電壓穩(wěn)壓器除了向負(fù)載輸出一個(gè)穩(wěn)定電壓外還要供給 功率。電壓基準(zhǔn)的主 要用途是為系統(tǒng)或負(fù)載提供一個(gè)精確的參考電壓，而其輸出電 流通常在幾至幾十個(gè)毫安。電壓基準(zhǔn)的用途十分廣泛，典型的應(yīng)用常見(jiàn)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于為模數(shù)變換器 或數(shù) 模變

2、換器提供一個(gè)基準(zhǔn)參考電壓。另外，它還可用于各類(lèi)開(kāi)關(guān)或線(xiàn)性電壓變換 電路、儀器 儀表電路和電池充電器中。二、電壓基準(zhǔn)的主要參數(shù)初始精度 ( Initial Accuracy 初始精度用于衡量一個(gè)電壓基準(zhǔn)輸出電壓的精確度或容限 , 即電壓基準(zhǔn)工作時(shí) , 其輸出 電壓偏離其正常值的大小。通常，初始精度采用百分?jǐn)?shù)表示，它并非是一個(gè)電 壓?jiǎn)挝?，?需換算才能獲得電壓偏離值的大小。例如，一個(gè)標(biāo)稱(chēng)電壓為2.5V的基準(zhǔn)，初始精度為1%,則其電壓精度范圍為：5.2?5.2土土%.25.2V475V525.0025.2在廠(chǎng)商的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，初始電壓精度通常是在不加載或在特定的負(fù)載電流條件 下測(cè)量的。對(duì)于電壓基準(zhǔn)而言

3、，初始精度是一個(gè)最為重要的性能指標(biāo)之一。溫度系數(shù) （ Tempeiatuie Coefficient溫度系數(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)TC用于衡量一個(gè)電壓基準(zhǔn),其輸出電壓因受環(huán)境溫度變化而偏離正常值的改變程度，它也是基準(zhǔn)電壓最重要的性能指標(biāo)之一,通常用ppm/C表示（ppm是英文part per million的縮寫(xiě),lppm表示百萬(wàn)分之一。例如，一個(gè)基準(zhǔn)標(biāo)稱(chēng)電壓為10V,溫度系數(shù)為1Oppm/C,則環(huán)境溫度每變化1C,其輸出電壓改變IOVxIOxIO- 6=100卩需注意的是，溫度系數(shù)可能是正向的 , 即基準(zhǔn)的輸出電壓隨溫度的升高而 變大，也可能是負(fù)向的，即基準(zhǔn) 的輸出電壓隨溫度的升高而變小，具體可查看廠(chǎng)商數(shù)據(jù)

4、 手冊(cè)中的溫度曲線(xiàn)圖表。熱遲滯 ( Tempeiatuie Hysteresis當(dāng)電壓基準(zhǔn)的溫度從某一點(diǎn)開(kāi)始經(jīng)受變化，然后再次返回該溫度點(diǎn)，前后二次在 同一 溫度點(diǎn)測(cè)得的電壓值之差即為熱遲滯。該參數(shù)雖不如溫度系數(shù)重要，但對(duì)于溫 度同期性變 化超過(guò) 25C 的情況仍是需引起重視的一個(gè)誤差源。長(zhǎng)期漂移 (Long-term Drift在數(shù)日、數(shù)月或更長(zhǎng)持續(xù)的工作期間，電壓基準(zhǔn)輸出電壓的慢變化稱(chēng)為長(zhǎng)期漂 移或穩(wěn) 定性,通常用 Ppni/lOOOli 表示。當(dāng)我們選用一個(gè)電壓基準(zhǔn)，要求它在持續(xù)數(shù) 日、數(shù)周、數(shù) 月基至數(shù)年的工作條件下保持輸出電壓精度，那么長(zhǎng)期漂移便是一個(gè) 必須考慮的性能參數(shù)。噪聲 (N

5、oise這里所說(shuō)的噪聲指電壓基準(zhǔn)輸出端的電噪聲，它又包括兩種類(lèi)型，一種是寬頻帶 的熱 噪聲,另一種是窄帶(0.1? 10Hz噪聲。寬帶熱噪聲較小，且可利用簡(jiǎn)單的RC網(wǎng)絡(luò) 濾除。窄帶噪聲是基準(zhǔn)內(nèi)部固有的且不可濾掉。在高精密設(shè)計(jì)中，噪聲的因素是不可忽視的。 6.導(dǎo)通建立時(shí) |B (TUIII-OII Setting Time系統(tǒng)加電后 , 基準(zhǔn)輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定的建立時(shí)間，該參數(shù)對(duì)于采用電池供電的便 攜式 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是重要的，因?yàn)檫@類(lèi)系統(tǒng)為了節(jié)省電能 , 常采用短時(shí)的或間隙方式供 電。 7.輸入電 壓調(diào)整率 ( Line Regulation用于衡量因輸入電壓變化引起的輸出電壓的改變，這是一個(gè)直流參數(shù)

6、，并不包括輸入電壓紋波或瞬變電壓產(chǎn)生的影響。通過(guò)在輸入端加一個(gè)預(yù)置穩(wěn)壓器或一個(gè)低成本的RC濾波器，即可有效地改善輸入電壓調(diào)整率。包括負(fù)8.負(fù)載調(diào)整率 (Load Regulation用于衡量因負(fù)載電流變化引起的輸出電壓的改變。這也是一個(gè)直流參數(shù)，并不載瞬變產(chǎn)生的影響。通過(guò)在基準(zhǔn)輸出端接一個(gè)適當(dāng)容量的低ESR ( 等效串聯(lián) 電阻特性的電容器, 將有助于改善負(fù)載調(diào)整率。三、電壓基準(zhǔn)的類(lèi)型1. 按工作原理劃分(1.并聯(lián)基準(zhǔn) (Sliunt Reference如圖 1所示，并聯(lián)基準(zhǔn)工作時(shí)與負(fù)載是并聯(lián)的關(guān)系，基準(zhǔn)電壓V REF =V IN -I F xR=VIN -(I Q +1L xR ，當(dāng)輸入電壓

7、V IN 或負(fù)載電流 IL 發(fā)生產(chǎn)化時(shí) , 這類(lèi)基準(zhǔn)通過(guò) 調(diào)節(jié) IQ 來(lái)保 持 V REF 的穩(wěn)定。并聯(lián)基準(zhǔn)只有 2 個(gè)引腳，價(jià)格較便宜，較適用于負(fù)載 電流變化不大的場(chǎng) 合。缺點(diǎn)是功耗相對(duì)較大， 輸入電壓調(diào)整率不太理想。 常見(jiàn)的并 聯(lián)基準(zhǔn)型號(hào)有 LM358 、AD589 等。圖 1 并聯(lián)基準(zhǔn)(2.串聯(lián)基準(zhǔn) (Senes Refeience如圖 2所示，串聯(lián)基準(zhǔn)工作時(shí)與負(fù)載是串聯(lián)的關(guān)系，基準(zhǔn)電壓V REF =V IN -I FxRS=VIN-(IQ+ILxRS, 由于 IQ 很小且基本保持恒定，故當(dāng) V IN 或 IL 發(fā)生變 化時(shí)，串聯(lián)基 準(zhǔn)通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部的 RS阻值來(lái)保持V REF的穩(wěn)定。串聯(lián)

8、基準(zhǔn)有 3個(gè)引 腳，輸入輸出壓差和 I Q可做的較小,故更適用于電池供電場(chǎng)合。常見(jiàn)的串聯(lián)基準(zhǔn)型號(hào)有AD581、REF192等。VREFRs 并聯(lián)基準(zhǔn) RLIQIL圖 2 串聯(lián)基準(zhǔn)2. 按技術(shù)工藝劃分(1 ?齊納基準(zhǔn) (Zenei Reference齊納基準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)是成本低封裝小，工作電壓范圍寬。缺點(diǎn)是功耗大，初始精度低 , 溫度 系數(shù)差，輸入電壓調(diào)整率不好 , 使用時(shí)需根據(jù)供電電壓和負(fù)載電流串接一個(gè)電阻為其提供恒定電流，以便保持輸出電壓穩(wěn)定。 齊納基準(zhǔn)通常用于要求不高的場(chǎng)合， 或 用作電壓鉗位器。(2.掩埋齊納基準(zhǔn) (Biuied Zener Refeience掩埋齊納基準(zhǔn)具有很高的初始精度，好

9、的溫度系數(shù)和長(zhǎng)期漂移穩(wěn)定性，噪聲電壓 低， 總體性能優(yōu)于其它類(lèi)型的基準(zhǔn)，故常用于 12 位或更高分辨率的系統(tǒng)中。掩埋齊納 基準(zhǔn)通常 要求至少 5V 以上的供電電壓，并要消耗幾百微安的電流，價(jià)格較昂貴。(3.帶隙基準(zhǔn) (Bandgap Refeience帶隙基準(zhǔn)的初始精度、溫度系數(shù)、長(zhǎng)期漂移、噪聲電壓等性能指標(biāo)從低到高覆 蓋面較 寬，較適用于 8? 10 位精度的系統(tǒng)中。該類(lèi)基準(zhǔn)既有為通常目的設(shè)計(jì)的類(lèi)型，也 有靜態(tài)電 流小至幾十微安， 輸入輸出電壓差較低而適用于電池供電場(chǎng)合的產(chǎn)品， 因而 應(yīng)用范圍很寬。 綜合來(lái)看，帶隙基準(zhǔn)性能良好，價(jià)格適中 , 是性?xún)r(jià)比最高的電壓基準(zhǔn)。(4. XFET 基準(zhǔn)XF

10、ET 是一種新型的電壓基準(zhǔn)、它的性能水平界于帶隙和齊納基準(zhǔn)之間。靜態(tài)電 流很低， 可用于 3V 電壓系統(tǒng) ,并且仍能保持良好的性能。 XFET 基準(zhǔn)有 3項(xiàng)顯著的特 點(diǎn)其一是在 相同的工作電流條件下，它的峰 -峰值噪聲電壓通常比帶隙基準(zhǔn)低數(shù)倍； 其二是 XFET 基準(zhǔn) 在工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)具有十分平坦或線(xiàn)性的溫度系數(shù)曲線(xiàn)，而帶 隙和齊納基準(zhǔn)的溫度系數(shù) 曲線(xiàn)在溫度范圍兩端常是非線(xiàn)性的 , 這種非線(xiàn)性不便于通 過(guò)軟件來(lái)加以修正 ; 其三是 XFET 基準(zhǔn)具有極好的長(zhǎng)期漂移穩(wěn)定性。(5.4種基準(zhǔn)性能比較表一以 ADI 公司的電壓基準(zhǔn)產(chǎn)品為例 ,對(duì)掩埋齊納、帶隙和 XFET 三種類(lèi)型基 準(zhǔn)的主要性能作一

11、比較 , 由于生產(chǎn)電壓基準(zhǔn)產(chǎn)品的公司很多，每一類(lèi)產(chǎn)品自身的性能 從高到低差別 很大，故表一主要從總體上比較三種基準(zhǔn)的性能特點(diǎn)，以便在選用時(shí)有 個(gè)參考。VREFRLILIQRSIF串聯(lián)基準(zhǔn)表一掩埋齊納、帶隙和 XFET 基準(zhǔn)主要性能比較掩埋齊納基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn) XFET基準(zhǔn)工作電壓 5V可低至3V可低至2.7V靜態(tài)電流3? 10mA 0.45? 2mA 5? 20pA初始精度0.01%? 0.5% 0.04%? 1.0% 0.06%? 0.3% 溫度系數(shù) 1 ? 20ppm/C 3? 100ppm/C8? 25ppm/C 噪聲電壓（0.1? 10Hz4? 10pV 4? 50pV 6? 10|TV

12、長(zhǎng)期漂移 15? 75p7Kh 4? 2507Kh 0.2? lpV/Kh適用場(chǎng)合 12 位或以上較高精度的系統(tǒng)。 8? 10 位精度，或低壓、低功耗，要求一 般的 系統(tǒng)。低壓、低功耗且較高精度的系統(tǒng)。四、電壓基準(zhǔn)的選用ADI 、NS、Maxim 、 Linear . TI 等都是國(guó)際上著名的模擬產(chǎn)品供應(yīng)商 ,它們可 提供各 種類(lèi)型的基準(zhǔn)產(chǎn)品。根據(jù)前面的討論 , 引起電壓基準(zhǔn)輸出電壓背離標(biāo)稱(chēng)值的主要因素是 初始精度、 溫度系 數(shù)、噪聲，以及長(zhǎng)期漂移等。因此，在選擇一個(gè)電壓基準(zhǔn)時(shí)、需根據(jù)系統(tǒng)要求的 分辨率精 度、供電電壓、工作溫度范圍等情況綜合考慮，不能簡(jiǎn)單地以單個(gè)參數(shù)（如 初始精度為選 擇條件

13、。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè) 12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，要求分辨到 1LSB （相當(dāng) 于 l/212=244ppm, 如果工作溫度范圍在10C,那么一個(gè)初始精度為0.01% （相當(dāng)于lOOppm,溫度系數(shù)為 lOppn/C （溫度范圍內(nèi)偏移lOOppm的基準(zhǔn)已能滿(mǎn)足系統(tǒng)的精 度要求，因?yàn)榛鶞?zhǔn)引起的總 誤差為200ppm 但如果工作溫度范圍擴(kuò)大到 15C以上，該 基準(zhǔn)就不再適用了。對(duì)于初始精度，主要是根據(jù)系統(tǒng)的精度要求進(jìn)行選擇。對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如果采用n位的ADC，那么其滿(mǎn)刻度分辨率為l/2n，若要求達(dá)到1LSB的精度，則所配電 壓基準(zhǔn)的初 始精度可由下式確定：%1021102126x=xnnppm初始精度考慮

14、到其它誤差的影響，實(shí)際的初始精度還要選得比上式更高一些,比如按 1/2LSB 的分辨率精度來(lái)計(jì)算，即上式所得結(jié)果再除以 2。溫度系數(shù)是電壓基準(zhǔn)另一個(gè)重要的參數(shù)， 它的確定除了與系統(tǒng)要求的精度有關(guān) 外, 還與 系統(tǒng)的工作溫度范圍有直接的關(guān)系。對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，假設(shè)所用ADC的位數(shù)是n，要求達(dá)到1LSB的精度，工作溫度范圍是 AT，那么基準(zhǔn)的溫度系數(shù) TC可 由下式確定:TCnAx2106同樣地，考慮到其它 i 吳差的影響 ,實(shí)際的 TC 值還要選得比上式更小一些。溫度 范圍 AT通?？梢?5 C為基準(zhǔn)來(lái)計(jì)算，以工業(yè)溫度范圍-40 C-+85 為例,AT可取60 C(85 -25 ,因?yàn)樯a(chǎn)廠(chǎng)商通

15、常在 25C附近將基準(zhǔn)因溫度變化引起的誤差調(diào)到最小。圖 3 是一個(gè)十分有用的速查工具， 它以 25C 為變化基準(zhǔn) , 溫度在 1C? 100C 變化 時(shí) ,8 ? 20位ADC在1LSB分辨精度的要求下,將所需基準(zhǔn)的TC值繪制成圖,由該圖 表可迅速查 得所需的 TC 值。圖3系統(tǒng)精度與基準(zhǔn)溫度系數(shù) TC的關(guān)系大多數(shù)電壓基準(zhǔn)的噪聲電壓相對(duì)其它誤差而言絕對(duì)值較小，故對(duì)于精度不高的系統(tǒng)其影響并不突出，但對(duì)于高精度系統(tǒng)，需引起高度重視。對(duì)于寬帶噪聲，通過(guò)在輸出端增加一個(gè)低ESR (等效串聯(lián)電阻電容或一個(gè) RC濾波器就可有效加以抑制，但要 注意所加電容 的容量要按數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的值選取，如果選得太大，可能

16、引起振蕩而破 壞輸出電壓的穩(wěn)定 性，另一個(gè)后果是會(huì)使導(dǎo)通建立時(shí)間變長(zhǎng)。至于0.1? 10Hz范圍內(nèi) 的窄帶1/5噪聲，是基準(zhǔn)中固有的且不能有效濾掉，故要仔細(xì)評(píng)估選擇。某些系統(tǒng)需長(zhǎng)期工作，同時(shí)要求具有保持重復(fù)測(cè)量的一致性和穩(wěn)定性，這時(shí)、基準(zhǔn)的長(zhǎng)期漂移性能指標(biāo)就顯得很重要。 XFET 基準(zhǔn)具有十分優(yōu)良的長(zhǎng)期漂移特性，故是 最佳選 擇。對(duì)于便攜式系統(tǒng)， 都要求低電壓、 低功耗， 以便延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。 對(duì)于這類(lèi) 系統(tǒng)， 選用 XFET 基準(zhǔn)是十分理想的 , 它們不僅能在低電壓小電流下工作， 同時(shí)還能保 持很好的性 能。ADI公司的某些帶隙基準(zhǔn)如 REF19X和AD158X系列也具備低電 壓、小靜態(tài)電流的特 性, 因而也可用于便攜式系統(tǒng)。但這些帶隙基準(zhǔn)的長(zhǎng)期漂移、 噪聲以及溫度系數(shù)指標(biāo)不如XFET 基準(zhǔn)。參考文獻(xiàn)：Roya Nasratv XFET TM ReferencesAnalog Dialogue 1998 Analog D