选择基准电压源

问题:

如何选择基准电压源?

RAQ:  Issue 114

答案:

我的关于如何选择模拟电路元器件的文章似乎惹出了一大堆麻烦。 恐怕太阳熄灭之时[i],我依然在写那些内容。

阅读有关选择模拟IC的非常见问题解答[ii]及相关的长篇文章[iii],有助于了解选择模拟IC时遇到的一般问题。 虽然每种类型都有必须优化的特定参数,但这里我将探讨基准电压源——可产生稳定、精确直流电压的器件,该器件决定了ADC、DAC和其他模拟电路的精度。

基准电压源旨在产生精确的电压,因此输出电压的数值和精度显然很重要。 此外,应考虑特定器件的参数,比如温度漂移、长期稳定性、输出电路、裕量和噪声。

目前产品的输出电压范围有限,几乎所有产品都在+0.5 V和+10 V范围内。就我所知,目前市场上没有三引脚负基准电压源[iv],但双引脚(分流)基准电压源可配合正/负电源使用。 除了输出固定电压的基准电压源,某些基准电压源还允许通过一个或两个外部电阻对输出编程。 当然,这些基准电压源的精度和稳定性受电阻的精度和稳定性以及基准电压源自身的内部精度影响。

AD588最大初始误差额定值为0.01%(1/10,000,或约为13位),最大温度系数为1.5

那么,我们希望有怎样的精度和稳定性呢? 在–40°C至+100°C工业温度范围内,这会导致210 ppm的变化量,或者说12位时的1 LSB。 因此,如果不采用温度补偿,那么在温度范围内我们能够保证的最佳未校准绝对精度约为12位[v]。 如果我们以昂贵的高精度电压为标准进行校准(机架式设备,非IC),然后将输入IC的温度范围限制在室温的±20°C左右,那么我们也许能获得大约16位的温度补偿绝对精度。

然而,如果温度在较大范围内变动,热-机械迟滞会将基准电压源的可重复性限制在14位左右[vi],而无论它们是否校准得很好,也无论是否进行了温度补偿。

很多基准电压源数据手册会给出长期漂移——通常约为25 ppm/1000小时。 这一误差与时间的平方根成比例关系,即25 ppm/1000小时 ≈ 75 ppm/年。 实际比例似乎(不一定)比这更好一点,因为老化速率通常在经过前几千小时之后会有所降低。 因此,得到一个约14位的值。

基准电压源输出架构的两种基本类型是串联和分流。 分流基准电压源类似于齐纳二极管,它具有两个引脚,以固定电压吸取可变电流。 串联稳压器有三个引脚——输入、输出和接地[vii]。 在输入端施加一个高于基准电压的直流电压,然后输出精确的基准电压。 大部分基准电压源要求输入电压高于输出1 V或更多,但低压差基准电压源允许两者之差低至几十或几百mV。

最简单的串联基准电压源具有射极跟随器输出级,并且只能提供源电流,但很多基准电压源应用要求基准电压源同时也能吸取电流。 当应用要求电流双向流动时,必须检查这一点。

用来生成精密基准电压的机制有时候可能充满噪声,因此检验基准电压源噪声对于应用而言是否足够低是很重要的。 中频段噪声(高于100 Hz)的频谱密度可能为几十mV/√Hz或更高,但通常可使用电容滤除,前提是基准电压源采用容性负载时能够稳定工作。 注意,就算基准电压源工作稳定,容性负载也有可能会增加开启时间。 低频噪声比较麻烦,通常位于低频段内,即0.1 Hz至10 Hz。 低频噪声只要不超过5 μV峰峰值就行了,1 μV至2 μV峰峰值就更理想了。

适用于通用模拟IC的其他考虑因素也同样适用于基准电压源。

作者

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James Bryant

James Bryant自1982年起担任ADI公司的欧洲应用经理,直至2009年退休为止。至今仍从事撰写和咨询工作。他拥有英国利兹大学的物理学和哲学学位,同时还是注册工程师(C.Eng.)、欧洲注册工程师(EurEng.)、电机工程师协会会员(MIET)以及对外广播新闻处(FBIS)会员。除了热情钻研工程学外,他还是一名无线电爱好者,他的呼叫代号是G4CLF。