為了充分利用物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，人們希望更快、更有效地連接模擬和數(shù)字世界。在這股熱潮中，人們極易忽略基準電壓源所發(fā)揮的關(guān)鍵作用，然而此舉甚不明智。基準電壓是模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)“判斷”模擬輸入值和輸出值的主要標準，有助于確保信號和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度，但前提是基準電壓源選擇適當且應(yīng)用得當。
本文簡要說明基準電壓源的結(jié)構(gòu)和特性，并介紹基準電壓源的選型。本文以 Analog Devices 的 ADR43x 系列為實例介紹基準電壓源，說明新型電壓基準的各種特性、增強功能及性能，以便設(shè)計人員善加利用以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。此外，本文還將展示 ADR43x 器件的應(yīng)用方法，如何將其保持在可接受限值范圍內(nèi)，從而使 ADC、DAC 和系統(tǒng)作為一個整體來充分發(fā)揮潛力。
基準電壓源的關(guān)鍵作用
基準電壓源的基本形式是一個三端子器件，分別連接電源軌、接地（公共）和精密輸出電壓（圖 1）。如果基準源選型或應(yīng)用不當，就會獲得不準確的基準電壓，從而影響轉(zhuǎn)換器輸出的有效性和可信度。
圖 1：基準電壓源的基本形式是連接輸入電壓、輸出基準電壓和接地（公共）的三端子器件，圖中所示為 Analog Devices 的 LT6656 系列中的 LT6656AIS6-2.5 器件。（圖片來源：Analog Devices）
根據(jù)標稱輸出電壓、精度和容差及其他參數(shù)選擇合適的基準源后，設(shè)計人員所面臨的挑戰(zhàn)在于如何使用該基準源使指定性能完全滿足應(yīng)用要求，而不降低器件的性能。這一點的重要性不容小覷。如上所述，基準電壓是 ADC 在將電壓信號數(shù)字化時判斷模擬輸入電壓的主要標準。而對于 DAC 而言，穩(wěn)定可靠的基準電壓源能讓轉(zhuǎn)換器生成與輸入數(shù)字代碼相對應(yīng)的精確模擬輸出電壓。
基準源選型
固態(tài)基準電壓源主要采用三種常用技術(shù)：掩埋齊納二極管、利用晶體管 Vbe 的帶隙基準電壓源，以及 Analog Devices 的 XFET? 配置，其中使用兩個結(jié)型場效應(yīng)管 (JFET) 串聯(lián)工作（美國專利號 5,838,192）。
雖然基準電壓源設(shè)計人員可能會討論各種方法之間的細微差別和各自屬性（理由充分），但對于大多數(shù)基準電壓源用戶而言，重點仍在于性能、利弊權(quán)衡、應(yīng)用和成本問題。本文采取的亦是這種觀點。
由于所使用技術(shù)的器件基本物理特性，基準電壓源的內(nèi)部核心基準電壓值可能比較“怪異”，但是基準電壓源的內(nèi)部電路設(shè)計旨在確保輸出電壓與轉(zhuǎn)換器分辨率匹配良好，并且能夠滿足系統(tǒng)需求。
例如，許多基準源以系列產(chǎn)品上市，除輸出電壓值有所不同外，器件的其他性能均相同?？蛇x擇的輸出電壓值如 2.048 V、2.5 V、3.0 V、4.096 V 和 5.0 V。其中，2.048 V 和 4.096 V 基準電壓能夠“均勻”地映射到轉(zhuǎn)換器分辨率，因此這兩種規(guī)格最為常用；例如，使用 4.096 V 基準源的 12 位轉(zhuǎn)換器的標稱比例為 1 mV/離散間隔數(shù)。
初始基準精度以百分比或毫伏為單位標定；精度差異可能較大，因為某些應(yīng)用的精度要求比其他應(yīng)用高。通常，精度越高，實現(xiàn)和維持精度的難度越大；就典型基準源規(guī)格而言，最大誤差為 ±0.1%（所有情況下適用）。然而，基礎(chǔ)拓撲學與工藝技術(shù)的進步使得這一規(guī)格得以改進。例如，4.096 V 的 ADR434 基準源采用 XFET 技術(shù)，初始精度為 ±5 mV（A 后綴）或 ±1.5 mV（B 后綴）。
不過，對許多應(yīng)用而言，基準源的穩(wěn)定性和長期一致性比絕對精度更為重要。原因可能在于數(shù)字信號可進行后續(xù)校正；或是相較于絕對精度，比較結(jié)果及信號轉(zhuǎn)換更為重要，而這兩者都受基準源穩(wěn)定性直接影響。因此，選擇基準源時必須在所需的絕對精度與穩(wěn)定性之間進行權(quán)衡，并考慮如何保持穩(wěn)定性。
考量穩(wěn)定性因素時還需深思熟慮。是否僅作短期使用，例如簡單試驗時用于獲取數(shù)據(jù)？或是長期數(shù)據(jù)采集，期限超過一年或更長時間？每個項目啟動之前，設(shè)計人員都必須回答這些問題。
外部基準源對比內(nèi)部基準源
另有一個更基本的問題：您需要配置獨立外部基準源嗎？Analog Devices 的 AD7605-4BSTZ ADC 等轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部基準電壓源，可節(jié)省電路板空間和物料清單 (BOM)（圖 2）。此外，從規(guī)格書可知，該器件具有完全特性化的 ADC 讀數(shù)精度，因為基準源的性能表現(xiàn)為轉(zhuǎn)換器 IC 整體性能的一部分。
圖 2：16 位 AD7605-4BSTZ 等許多 ADC 都具有內(nèi)部基準電壓源。由于基準源性能已納入轉(zhuǎn)換器的整體規(guī)格，此舉不但可以節(jié)省空間和減少 BOM，還能簡化誤差預(yù)算分析。（圖片來源：Analog Devices）
然而，即使轉(zhuǎn)換器內(nèi)核適用，內(nèi)部基準源可能仍無法提供所需的性能，因此多數(shù)轉(zhuǎn)換器都可連接外部基準源。請注意，對于應(yīng)用特定性和成本敏感度較高的轉(zhuǎn)換器（例如用于低端音頻通道的轉(zhuǎn)換器），內(nèi)部轉(zhuǎn)換器可能就已符合目標標準，因此無需使用外部基準源。盡管如此，因為內(nèi)部基準源的性能可能與相關(guān)轉(zhuǎn)換器的規(guī)格相當，所以可以簡單認為，外部基準源的性能表現(xiàn)通常比內(nèi)部基準源更為出色。
即使內(nèi)部基準電壓源足以滿足需求，出于另一原因仍需考慮使用外部基準電壓源。設(shè)計中包含多個轉(zhuǎn)換器 IC 時，各個內(nèi)部基準源可能有所不同或不能以相同的方式跟蹤彼此。因此，單純因為基準源的差異就會導致結(jié)果數(shù)據(jù)不一致，這會造成無法校正的誤差，從而使數(shù)據(jù)難以相關(guān)聯(lián)。
基于上述原因，對于具有多個轉(zhuǎn)換器的高性能系統(tǒng)，通常最好共用單個外部基準源。然而，這又會引起人們質(zhì)疑由單個基準源“驅(qū)動”多個轉(zhuǎn)換器是否會降低其基本性能。下面將對這一顧慮做進一步討論。
維持基準源的性能
除初始精度和容差規(guī)格外，基準源還有一些問題必須解決，以確保性能保持在可接受限值范圍內(nèi)。這些問題包括：
布局問題，包括電壓降和噪聲
輸出驅(qū)動（拉出/灌入）、負載緩沖和瞬態(tài)性能
短期穩(wěn)定性和溫度引起的漂移
由于老化、物理應(yīng)力和封裝導致的長期漂移
1.布局問題，包括電壓降和噪聲：與所有敏感的模擬信號一樣，即使是靜態(tài)電壓信號，也會造成基準源輸出和轉(zhuǎn)換器之間的阻抗 (IR) 壓降過大。雖然基準源負載大多較小，僅僅只有數(shù)十毫安，但即使是 10 mA 的小電流負載通過 100 mΩ 電阻也會產(chǎn)生 1 mV 電壓降，這可能會帶來相當大的誤差預(yù)算。
ADR43x 系列基準電壓源能克服這一問題，其中使用開爾文連接配置，將導線電阻加入外部運算放大器（運放）的強制回路內(nèi)（圖 3）。放大器可檢測負載端的電壓，因此運算放大器的回路控制強制輸出補償導線壓降，從而在負載端產(chǎn)生正確的電壓。
圖 3：ADR43x 系列器件可通過外部運算放大器配置為開爾文連接，由于從基準源輸出連接至轉(zhuǎn)換器基準電壓輸入的任何 IR 壓降都在反饋回路內(nèi)，因而可以校正損耗。（圖片來源：Analog Devices）
由于負載噪聲、接地（公共）噪聲以及拾取自去耦不充分的電源軌噪聲，外部噪聲也會影響基準電壓源，這與轉(zhuǎn)換器的情況一樣。此外，還需考慮基準源的內(nèi)部噪聲，通常分為低頻噪聲（0.1 Hz 至 10.0 Hz）和高頻噪聲（10 Hz 至 25 kHz）。ADR43x 系列等器件中的高性能基準源具有低頻噪聲（峰峰值 (p-p) 低于 3.5 μV）和高頻噪聲（10 Hz 至 10 kHz 時約為 200 μV [峰值]）。
ADR431BRZ-REEL7 的噪聲強度譜如圖所示（圖 4）。對于不同的容性負載，曲線在大約 1 kHz 以下相對平坦，然后逐漸上升；容性負載為零時，曲線始終平坦。
圖 4：對于不同的容性負載，ADR431BRZ-REEL7 的噪聲強度在頻率低于 1 kHz 時相對平坦，然后逐漸上升；容性負載為零，曲線始終平坦，并且容性負載越大，噪聲強度上升越快。（圖片來源：Analog Devices）
降低噪聲的常用策略是添加簡單的電阻-電容 (RC) 濾波器。不過在較大的容性負載下，許多基準源的輸出放大器可能會變得不穩(wěn)定且出現(xiàn)振蕩，因此除非基準源設(shè)計需要，否則通常不會在輸出端連接數(shù)微法的大電容。對于 ADR43x 器件而言，如果高頻噪聲仍然超出要求，那么基本解決辦法是在基準源輸出端接入簡單的 RC 濾波器（圖 5）。
圖 5：ADR43x 基準電壓源的基本連接只需少量無源外部元器件，輸入端接入兩個電容，輸出端則接入一個 0.1 μF 基本電容。（圖片來源：Analog Devices）
請注意，ADR43x 系列的每款基準源均提供一個外部引腳，可用于訪問內(nèi)部補償節(jié)點，允許在關(guān)鍵電路點添加外部串聯(lián) RC 電路（圖 6）。
圖 6：ADR43x 器件封裝具有用戶可訪問的引腳（引腳 7），以便為內(nèi)部運算放大器添加所需的補償。（圖片來源：Analog Devices）
添加 RC 電路可讓用戶對內(nèi)部運算放大器“過補償”，以避免不穩(wěn)定。用戶可以選擇電容值，使噪聲強度隨頻率變化較小，達到可接受水平（圖 7）。
圖 7：使用 ADR43x 基準源的設(shè)計中，設(shè)計人員可以選擇 RC 電路的參數(shù)值以實現(xiàn)所需的降噪水平，而無需擔心因此造成輸出不穩(wěn)定。各種 RC 組合的噪聲強度與頻率的關(guān)系如圖所示。（圖片來源：Analog Devices）
2.輸出驅(qū)動（拉出/灌入）、負載緩沖和瞬態(tài)性能：大多數(shù)基準源都內(nèi)置緩沖，可以實現(xiàn)高達 5 或 10 mA 的拉出和灌入電流。如果所需的負載電流大于基準源的額定拉/灌電流，則需要添加外部緩沖器（通常使用單位增益）。然而，設(shè)計人員可能不想添加緩沖器，因為其缺陷（不精確、漂移）的潛在影響可能會使基準源超出系統(tǒng)規(guī)格要求。
ADR43x 系列基準源的額定拉/灌電流相對較大，分別為 +30 mA 和 -20 mA，因此多數(shù)情況下不需要添加外部電流緩沖器。
此外，基準源負載并非恒定，而是可能隨著 ADC（或 DAC）的內(nèi)部轉(zhuǎn)換而有所變化。如果轉(zhuǎn)換器的外部基準源輸入添加了緩沖器，就不會出現(xiàn)問題；否則就必須檢查基準源的瞬態(tài)性能。在某些情況下，基準源和轉(zhuǎn)換器之間需要添加外部緩沖器，以便驅(qū)動瞬態(tài)負載；同樣，系統(tǒng)誤差分析時也必須考慮緩沖器的性能。
3.短期穩(wěn)定性和溫度引起的漂移：有源電路的建立和芯片的熱梯度穩(wěn)定都需耗費一定時間，因此基準源的輸出將出現(xiàn)漂移。多數(shù)基準電壓源的導通建立時間通常取決于負載電容，但負載較小時，ADR431 受負載電容影響很小（圖 8 和圖 9）。
圖 8：無負載時 ADR431 的導通建立時間約為 8 μs。（圖片來源：Analog Devices）
圖 9：接入 0.01 μF 負載時，ADR431 的導通建立時間仍然約為 8 μs。（圖片來源：Analog Devices）
規(guī)格書注明了指定溫度下的基準源精度，通常與初始精度有所不同。由于溫度會引起輸出的變化，以致很容易超出系統(tǒng)的精度要求，因此需要選擇漂移規(guī)格相對較小的基準源。ADR43x 系列基準源的額定工作溫度范圍為 -40℃ 至 +125℃；ADR434A（4.096 V，±5 mV 初始精度）的溫度系數(shù)為 10 ppm/℃，而該系列的其他器件則低至 3 ppm/℃。
4.由于老化、物理應(yīng)力和封裝導致的長期漂移：漂移往往是造成基準電壓不準確的重要原因。假設(shè)應(yīng)用要求基準電壓源在工作溫度范圍內(nèi)的總精度為 ±0.1%，那么設(shè)計人員可選擇具有 ±0.05% 初始精度和超低溫度系數(shù) (±5 ppm/℃) 的高性能基準源。
在 25℃ 至 125℃ 范圍內(nèi)，由溫度系數(shù)引起的漂移為 5 ppm/℃ × 100℃，即 500 ppm (0.05%)，因此總誤差（初始誤差 + 漂移誤差）滿足 ±0.1% 的應(yīng)用要求。某些高端應(yīng)用將基準源放置在溫度可控的恒溫器中，這就類似于在溫度恒定環(huán)境中用于提供基準頻率的晶振和時鐘，但對于多數(shù)情況而言此舉既不可取也不實用。
基準源精度越高，為了維持精度，就更需要考慮基準電壓的長期漂移 (LTD) 影響。然而，由于 LTD 也受生產(chǎn)程序和產(chǎn)品使用模式直接影響，而非僅憑周全的設(shè)計和相關(guān)組件的選型就能補償，因此 LTD 給設(shè)計工程師提出了一項特殊挑戰(zhàn)。電路板裝配時的封裝應(yīng)力是造成 LTD 的主要原因。暴露于電路板焊接過程的高溫環(huán)境下，塑料封裝的 IC 會稍微變形，這種由應(yīng)力引起的尺寸變化會對基準電壓源芯片造成影響。
盡管數(shù)小時、數(shù)天甚至數(shù)周后，這類裝配引起的機械應(yīng)力就會消失并恢復(fù)正常，但是基準電壓源輸出卻因此發(fā)生了改變。變化量取決于布局、器件封裝及其他因素，量級通常為數(shù)十百萬分率。此外，器件生產(chǎn)滿一年后，基準源的芯片與封裝會趨于“穩(wěn)定”，因此某些基準源規(guī)格書注明了這個更長時間段的漂移。
多數(shù)基準源規(guī)格書提供的 LTD 規(guī)格為前 1000 小時工作的典型漂移；ADR43x 系列基準源規(guī)格書注明 1000 小時的 LTD 為 40 ppm（典型值），但也請注意，后續(xù) 1000 小時的漂移會明顯低于前 1000 小時。
針對這種由應(yīng)力引起的漂移，一種解決方案是在數(shù)小時內(nèi)使電路板經(jīng)過幾次熱循環(huán)，因為這將加速內(nèi)應(yīng)力的消除；另一種解決方案則是考慮使用陶瓷封裝的基準電壓源，因為陶瓷封裝通常比塑料封裝更穩(wěn)定，彎曲強度亦比塑料封裝高。但是，許多基準源不能采用陶瓷封裝；但這可能并不構(gòu)成影響，因為最新一代塑料封裝基準源提供的 LTD 性能堪比陶瓷封裝器件。
最后，設(shè)計人員也不能忽視器件電源軌的瞬態(tài)電壓對基準電壓源的影響；畢竟就許多方面而言，基準源都是一種特殊“電源”。因此，輸出精度不僅受負載變化影響，無干擾的穩(wěn)定直流 (DC) 輸入線路是維持指定性能的另一個因素。換言之，精心設(shè)計的基準電壓源需要精密調(diào)節(jié)的功率輸入。在 7 至 18 V 的輸入電壓范圍內(nèi)，ADR431 規(guī)格書注明線路調(diào)節(jié) ΔVOUT/ΔVIN 典型值為 5 mV/ppm，最大值為 20 mV/ppm（圖 10）。
圖 10：基準電壓源電源軌的瞬態(tài)電壓會對器件性能產(chǎn)生不利影響，但是良好的內(nèi)部線路調(diào)節(jié)可以解決這一問題。例如，線路瞬態(tài)電壓為 500 mV 時，ADR43x 器件的輸出并無變化。（圖片來源：Analog Devices）
總結(jié)
無論作為 ADC 或 DAC 的內(nèi)部組件還是分立的外部元器件，基準電壓源是任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件。隨著器件基本精度、漂移及其他參數(shù)的改進，系統(tǒng)級性能也相應(yīng)提升。
如上所述，基準電壓源具有各種特性和增強功能（拓撲和工藝方面）可供設(shè)計人員選擇。這些貌似簡單的基準電壓源不但新增各項功能，以確保在各種靜態(tài)和動態(tài)操作條件下保持精度和性能穩(wěn)定性，而且為設(shè)計人員提供多種選項以滿足嚴格的設(shè)計要求。
參考資料：
Analog Devices, AN-713, "The Effect of Long-Term Drift on Voltage References"
Analog Devices, Engineer Zone, "Trimming the ADR430"
