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準，有助于確保準確的信號和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，但僅限于此適當選擇并正確應(yīng)用。
本文將簡要介紹電壓基準的結(jié)構(gòu)和特性，并描述如何選擇電壓基準。舉例來說，它將引入ADI公司 ADR43x系列的電壓基準，以說明設(shè)計人員可利用的各種特性，增強功能和特性，以充分利用現(xiàn)代電壓基準。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，電壓基準是一個三端子器件，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)計人員在標稱輸出電壓，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)字化電壓時判斷模擬輸入電壓的主要標準。在DAC的情況下，穩(wěn)定可靠的電壓基準允許轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生對應(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，它有兩個結(jié)場效應(yīng)晶體管串聯(lián)工作。
雖然電壓參考設(shè)計人員可能會討論每種方法的細微之處和屬性（有充分理由），但對于大多數(shù)電壓參考用戶而言，重點在于性能，權(quán)衡，應(yīng)用和成本問題。這是這里采取的觀點。
由于所使用技術(shù)的基礎(chǔ)器件物理特性，電壓基準的內(nèi)部核心基準可能處于“笨拙”值，而電壓基準設(shè)計有內(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，因為它們“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)換器的標稱比例為1毫伏（mV）/轉(zhuǎn)換計數(shù)。
初始參考精度以百分比或毫伏為單位指定，精度可能會有很大差異，因為某些應(yīng)用需要比其他應(yīng)用更高的精度。通常，更高的準確度更難以實現(xiàn)和維護; 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，底層拓撲和工藝技術(shù)的進步使得該規(guī)范得以改進。例如，4.096伏ADR434基準電壓源采用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)用的絕對精度是參考穩(wěn)定性和長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，參考的選擇必須評估需要多少絕對精度與需要多少穩(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，例如在短暫實驗期間獲取數(shù)據(jù)的情況？或者是長期數(shù)據(jù)采集超過一年還是更長時間？這些是設(shè)計師必須提前為每個項目回答的問題。
外部參考與內(nèi)部參考
還有一個更基本的問題：你甚至需要一個獨立的外部參考嗎？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)手冊可以提供完全表征的ADC讀取精度的規(guī)范，因為參考的性能成為轉(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的連接。請注意，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）可能具有符合目標標準的內(nèi)部轉(zhuǎn)換器，因此不需要外部參考。盡管如此，假設(shè)任何外部參考自動提供比內(nèi)部參考更好的結(jié)果是簡單的，因為內(nèi)部參考的性能可能與其相關(guān)轉(zhuǎn)換器的規(guī)格相當。
考慮使用外部參考電壓還有另一個原因，即使內(nèi)部參考電壓足夠。在不僅僅有一個轉(zhuǎn)換器IC的設(shè)計中，各個內(nèi)部參考可能不同或彼此不相同。由于參考文獻的差異，它們的結(jié)果數(shù)據(jù)將存在不一致性，這會使數(shù)據(jù)難以與無法解決的無法解決的錯誤相關(guān)聯(lián)。
因此，對于具有多個轉(zhuǎn)換器的高性能系統(tǒng)，通常最好使用單個共享外部參考。然而，這樣做引起了對參考“驅(qū)動”多個轉(zhuǎn)換器而不降低其基本性能的能力的擔憂，這是下面討論的考慮因素。
維護參考的性能
除初始精度和公差規(guī)范外，參考文獻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（源/接收器），負載緩沖和瞬態(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一樣，即使是提供靜態(tài)電壓的信號，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)參考負載低至幾十毫安（mA），但即使通過100毫歐（mΩ）的10 mA的適度負載也會導(dǎo)致1 mV的電壓降，這可能會給預(yù)算帶來很大的誤差。
ADR43x系列電壓基準通過在開爾文連接配置中將外部運算放大器（運算放大器）的強制環(huán)路中的布線電阻包括在內(nèi)來克服了這一問題（圖3）。放大器檢測負載電壓，因此運算放大器的環(huán)路控制強制輸出補償接線錯誤，從而在負載產(chǎn)生正確的電壓。
由于負載噪聲，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）和必須評估的高頻（10Hz至25千赫茲（kHz））內(nèi)部噪聲。高性能基準電壓源（如ADR43x系列中的基準電壓源）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）。對于不同的容性負載，它相對平坦到大約1 kHz，然后開始上升; 對于零容性負載，它保持平坦。
降低噪聲的最常用策略是添加一個簡單的電阻 - 電容（RC）濾波器。然而，許多參考文獻的輸出放大器可能變得不穩(wěn)定并且在大容性負載下振蕩，因此除非參考設(shè)計用于輸出，否則不能選擇將幾微法（μF）的較大電容連接到輸出。對于ADR43x器件，如果高頻噪聲仍然超出要求，則可以使用簡單的RC濾波器補充基準電壓源的基本連接（圖5）。
請注意，ADR43x每個引腳都提供一個外部引腳，可以訪問內(nèi)部補償節(jié)點，允許在關(guān)鍵電路點添加外部串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)（圖6）。
添加RC電路允許用戶“過度補償”內(nèi)部運算放大器并避免不穩(wěn)定。用戶可以選擇電容值，以達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（源/接收器），負載緩沖和瞬態(tài)性能：大多數(shù)基準電壓源都是內(nèi)部緩沖的，可以提供和吸收高達5或10 mA的電流。如果所需的負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，因為其缺陷（不精確，漂移）的潛在影響可能會使參考超出系統(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，因為它具有相對較高的+30 mA電源和-20 mA灌電流額定值。
此外，參考上的負載不一定是恒定的，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)換器之間需要一個外部緩沖器，以便在瞬態(tài)負載下提供驅(qū)動; 再次，緩沖區(qū)的性能必須考慮到系統(tǒng)錯誤分析中。
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)基準電壓源的導(dǎo)通建立時間通常取決于負載電容，但負載電容對負載較小的ADR431的影響最?。▓D8和圖9）。
數(shù)據(jù)手冊規(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?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期漂移：漂移往往是參考不準確的重要原因。考慮一個需要電壓基準的應(yīng)用，在±0.1％的溫度范圍內(nèi)具有總精度。設(shè)計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)定晶體和時鐘的烤箱，但這對于大多數(shù)情況來說是不可取或不實用的。
隨著參考精度的提高，其基本長期漂移（LTD）成為維持該精度的更大因素。對于設(shè)計工程師來說，LTD提出了一個特殊的挑戰(zhàn)，因為它也是生產(chǎn)程序和產(chǎn)品使用模式的一個功能，而不僅僅是設(shè)計的徹底性和相關(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會稍微改變形狀，這種應(yīng)力引起的尺寸變化會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械的，與裝配相關(guān)的應(yīng)力消退并在數(shù)小時，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。此外，當器件在一年的時間內(nèi)老化時，參考的芯片和封裝關(guān)系甚至會“穩(wěn)定”，因此一些參考文獻指定在更長的時間段內(nèi)漂移。
大多數(shù)參考數(shù)據(jù)表提供LTD規(guī)格作為運行前1000小時后的典型漂移; ADR43x系列數(shù)據(jù)手冊規(guī)定了40 ppm（典型值）的1000小時LTD，但也注意到后續(xù)1000小時內(nèi)的漂移明顯低于前1000小時內(nèi)的漂移。
這種應(yīng)力引起的漂移的一個解決方案是在幾小時內(nèi)使板熱循環(huán)幾次，因為這將加速內(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，因為它們通常比塑料封裝更穩(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; 但這可能不是問題，因為最新一代的塑料參考提供的LTD性能幾乎與陶瓷封裝器件一樣好。
最后，設(shè)計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因素。也就是說，精心設(shè)計的電壓基準將嚴格調(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
無論是ADC或DAC的內(nèi)部還是分立的外部元件，電壓基準都是使用數(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)的改進轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)級性能改進。
如圖所示，設(shè)計人員可以在拓撲和工藝方面提供各種電壓參考特性和增強功能。除了增加的功能，以確保在各種靜態(tài)和動態(tài)操作條件下的準確性和一致的性能，看似簡單的電壓參考有很多設(shè)計師尋找滿足嚴格設(shè)計要求的選項。
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