精密電壓基準

數據轉換系統的設計之所以是一個難題，原因之一是系統精度很大程度上依賴于內部或外部DC電壓基準所建立的電壓的精度。電壓基準用來產生一個精確的輸出電壓，以此為數據轉換系統設計滿量輸入。在模/數轉換器（ADC）中，DC電壓基準與模擬輸入信號一起用于產生數字化的輸出信號。在數/模轉換器（DAC）中，DAC根據呈現在DAC輸入端上的數字輸入信號，從DC基準電壓選擇和產生模擬輸出。在工作溫度范圍內的基準電壓的任何誤差將影響ADC/DAC的線性度和無寄生動態范圍（SFDR）。實際上所有電壓基準隨時間或環境因數（如濕度，氣壓，溫度）變化。因此，大多數CMOS ADC/DAC都具有只適用于≤12位分辨率應用的內部基準，盡管轉換器可以有較高的分辨率。新型CMOS轉換器工作電壓為3.3V或5V，這就限制片上電壓基準只能用帶隙基準。靠片上提供的外部基準引腳，外部精密基準也可連接到CMOS ADC或DAC。精密外部電壓基準與片上帶隙電壓基準相比，具有較低的溫度系數、熱遲滯和長期漂移。所以在需要高精度（14位或16位ADC/DAC）的應用中，往往需要一個外部精密電壓基準。

已經有了某工作溫度范圍內各種精度和初始精度的精密電壓基準。但在制造商數據表中往往不能明顯知道器件的其他關鍵參量（如輸入電壓調整率，負載調整率，初始電壓誤差，輸出電壓溫度系數（TC），輸出電壓噪聲，導通建立時間，熱遲滯，靜態電源電流和長期穩定性）如何影響器件的初始精度。

設計出發點

新式電壓基準是用集成晶體管的帶隙，掩埋齊納二極管和結場效應晶體管設計的。每種技術具有固有的性能特性，并可用補償網絡或附加的有源電壓來提高其性能特性。帶隙，掩埋齊納二極管和XFET基準的基本電路結構分別示于圖1，圖2和圖3。

帶隙基準

帶隙基準最簡單的結構是用兩個晶體管，用不同的發射極面積產生正比于絕對溫度的電壓。VBE1和VBE2具有相反的溫度系數。電壓Vcc變換為電流I1和I2，I1和I2被鏡象反映到輸出支路，輸出方程為：

Vo=VBE1+λ(VBE1-VBE2) (1)

式中λ是比例因子，VBE1是第一個晶體管的基極——發射極電壓，VBE2是第二個晶體管的基極——發射極電壓。

帶隙基準廣泛用在ADC/DAC轉換器中以及外部基準源，因為它相當便宜。通常，帶隙基準用在需要最高10位精度的系統設計中。帶隙基準一般具有0.5～1.0%初始誤差和25～50ppm/℃ TC。輸出電壓噪聲一般為15～30μVp-p(0.1～10Hz)，長期穩定性為20～30ppm/1000小時。

齊納基準

圖2所示的齊納電壓基準及其反饋放大器用于提供非常穩定的輸出。用電流源偏置6.3V的齊納二極管。齊納電壓由電阻網絡R1和R2分壓。此電壓加到運放的非倒相輸入端，并被放大到所需要的輸出電壓。放大器增益由電阻網絡R3和R4確定，即增益G=1+R4/R3。用了6.3V齊納二極管，因為它對時間和溫度是最穩定的齊納二極管。

輸出方程式為：



掩埋齊納二極管基準比帶隙基準昂貴，但能提供更高的性能。典型的初始誤差為0.01～0.04%，TC為1～10ppm℃，噪聲低于10μVp-p(0.1～10Hz)。長期穩定性典型值為6～15ppm/1000小時。基于掩埋齊納的基準經常用在12位、14位和較高分辨率的系統中，因為基于掩埋齊納基準的性能可通過設計中包含非線性溫度補償網絡而得到提高。在幾個溫度點上微調補償網絡可使其電性能在工作范圍達到最佳。

xFET基準

xFET是一種新的基準技術，它由兩個結型場效應管組成，其中一個多加一次溝道注入來提高夾斷電壓。兩個JFET工作在胡同的漏極電流下。把夾斷電壓之差進行放大，用來形成電壓基準。方程式是：



式中ΔVp是兩個FET夾斷電壓之差，IPTAT是正溫度系數校正電流。
簡化的xFET基準電路圖示于圖3。

xFET基準是相當新的，它的性能水平處在帶隙和齊納基準之間。典型的初始誤差為0.06%，TC為10ppm/℃，噪聲為15μVp-p(0.1～10Hz)。長期穩定性為0.2ppm/1000小時。

14位轉換器的基準選擇

對電壓基準規定的參量包括輸入電壓調整率、負載調整率、初始電壓誤差，輸出電壓溫度系數（TC）、輸出電壓噪聲、導通建立時間、熱遲滯、靜態電源電流和長期穩定度。

數據采集系統設計最主要的參量是電壓基準器件的初始誤差、輸出電壓溫度系數（TC）、熱遲滯、噪聲和長期穩定性。

表1列出在本應用中進行比較的三種基準的主要誤差源。數據表示了在工業溫度范圍（-40℃～+85℃）內8引腳DIP封裝的每種相應型號最高級別。最壞性能基準是帶隙型，未包括在表1中。掩埋齊納二極管的總性能優于帶隙器件和xFET基準。帶3階溫度補償網絡的掩埋齊納基準（VRE3050）對于初始誤差、TC和熱遲滯來講是最好的。

表1 電壓基準的主要誤差源

注：表中VRE3050，MAX6205和ADR293分別為Thaler Corg，Maxim和Analog Devices公司的產品。

參量說明

初始誤差——在器件加電和升溫之后基準的輸出電壓容限。它通常不加負載測量。在很多應用中，初始誤差是最重要的指標。儀器制造商往往規定嚴格的初始誤差，所以在組裝之后不必進行室溫系統校正。

溫度系數（TC）——溫度變化所引起的輸出電壓變化，通常用ppm/℃表示。它是僅次于初始精度的第二個最重要性能指標。對于很多儀器制造商，當電壓基準的溫度系數小于2ppm/℃時不必進行系統溫度校正（一種耗時又費錢的過程）。在三種關于TC規范的方法（斜率、蝶形和盒式）中，盒式方法是最通用的。盒式方法由工作溫度范圍內額定輸出電壓的最小/最大值構成。其方程式為：



此方法更精確地保持與測試方法的一致性，并提供比其他方法更接近于實際誤差的估算。盒式方法保證了溫度誤差的范圍但沒有規定被測器件的形狀和斜率。假定在工業溫度范圍內TC為0.6ppm/℃的一個5V基準，則由盒式計算方法得出的曲線示于圖4。

在工業溫度范圍（-40℃～+85℃）內設計一個14位精度數據采集系統將需要TC為1.0ppm/℃的電壓基準（假若允許基準引起的誤差相當于1LSB）。如果基準引起1/2 LSB等效誤差，將需要電壓基準的溫度系數為0.5ppm/℃。圖5示出所需基準的TC與ΔT變化的關系曲線（在25℃處，分辨率范圍8位～20位）。

熱遲滯——由溫度變化而引起的輸出電壓變化。當基準經受溫度變化并返回到初始溫度時，基準不總是具有相同的初始輸出電壓。熱遲滯難以校正，它是經受溫度變化在25℃及以上的系統中的一個重要誤差源。電壓基準制造商正開始把此重要指標包含在數據表中。

噪聲（I/f和寬帶）——在電壓基準輸出端的電噪聲。它可包括寬帶熱噪聲和窄帶I/f噪聲。寬帶噪聲可有效地用簡單的RC網絡濾除。I/f噪聲是基準中固有的而不可能濾掉。此噪聲規定在0.1～10Hz范圍內。低I/f噪聲的基準在精密設計中是重要的。

長期漂移——數日工作期間所發生的輸出電壓的慢變化。長期漂移通常用ppm/1000小時表示。在齊納基準中，長期漂移典型值為6ppm/1000小時，并隨時間呈指數減小。額外的基準溫度老化可加速齊納基準的穩定性。XFET基準具有極好的長期穩定性-0.2ppm/1000小時。

導通建立時間——在加電之后規定的一段時間間隔內的電壓變化。大多數基準在10μs之內穩定到0.1%。導通建立時間對于便攜電池式系統是重要的，便攜電流式系統通過短時對電路供電以節省能源。

輸入電壓調整率——輸入電壓變化所產生的誤差。此dC指標不包括紋波電壓或輸入電壓瞬態的影響。

負載調整率——由負載電流變化所產生的誤差。像輸入電壓調整一樣，此dC指標不包括負載瞬態的影響。

PCB布局——不好的印刷電路板布局可嚴重的影響基準的性能。不好的布局可影響器件的輸出電壓、噪聲和熱性能。PCB中的固有應力也可傳遞到基準并改變輸出電壓。

結語

本文說明了對于高分辨率數據采集系統在選擇外部基準之前對一些關鍵參量必須進行評估。XTET基準適合于保持恒溫和要求基準長期穩定性好的系統。在工業工作溫度范圍內，設計14位轉換系統時應選用VFRE3050基準較佳，因為VRE3050具有較好的初始誤差、TC和熱遲滯性能。