電壓基準芯片的參數(shù)解析及應用技巧精

1、電壓基準芯片的參數(shù)解析及應用技巧電壓基準芯片是一類高性能模擬芯片，常用在各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集。幾乎所有電壓 基準芯片都在為實現(xiàn)“高精度”而努力，但要在各種不同應用場合真正實現(xiàn)高精度，則需要了解電壓基準的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各項參數(shù)的涵義，并要掌握一些必要的應用技巧。電壓基準芯片的分類根據(jù)內(nèi)部基準電壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不同，電壓基準分為：帶隙電壓基準和穩(wěn)壓管電壓基進兩類。帶隙電壓基 準結(jié)構(gòu)是將一個正向偏置PN結(jié)和一個與VT （熱電勢）相關的電壓串聯(lián)，利用PN結(jié)的負溫度系數(shù)與 VT的正溫度系數(shù)相抵消實現(xiàn)溫度補償。穩(wěn)壓管電壓基準結(jié)構(gòu)是將一個次表面擊穿的穩(wěn)壓管和一個PN結(jié)串聯(lián)，利用穩(wěn)壓管的正溫度系數(shù)和

2、PN結(jié)的負溫度系數(shù)相抵消實現(xiàn)溫度補償。次表面擊穿有利于降低噪聲。穩(wěn)壓管電壓基準的基準電壓較高 （約7V）；而帶隙電壓基準的基準電壓比較低，因此后者在要求低供電電壓的情況下應用更為廣泛。根據(jù)外部應用結(jié)構(gòu)不同，電壓基準分為：串聯(lián)型和并聯(lián)型兩類。應用時，串聯(lián)型電壓基準與三端穩(wěn)壓_電源類似，基準電壓與負載串聯(lián)；并聯(lián)型電壓基準與穩(wěn)壓管類似，基準電壓與負載并聯(lián)。帶隙電壓基準和 穩(wěn)壓管電壓基準都可以應用到這兩種結(jié)構(gòu)中。串聯(lián)型電壓基準的優(yōu)點在于,只要求輸入電源提供芯片的靜態(tài)電流，并在負載存在時提供負載電流；并聯(lián)型電壓基準則要求所設置的偏置電流大于芯片的靜態(tài)電流與 最大負載電流的總和，不適合低功耗應用。并聯(lián)型電

3、壓基準的優(yōu)點在于，采用電流偏置，能夠滿足很寬的 輸入電壓范圍，而且適合做懸浮式的電壓基準。電壓基準芯片參數(shù)解析安肯（北京）微電子即將推出的ICN25XX系列電壓基準，是一系列高精度，低功耗的串聯(lián)型電壓基準， 采用小尺寸的 SOT23-3封裝，提供1.25V、2.048V、2.5V、30V、33V、4.096V輸出電壓,并提供良好的 溫度漂移特性和噪聲特性。串聯(lián)型電壓基準（series）并聯(lián)根電壓基準（shunu%Ppm/Xppm/Vkhppm(PP)ppm(rm$)負載調(diào)整率負載電流變化引起的愉出電壓變比圖1.串聯(lián)型電壓基準芯片和并聯(lián)型電壓基準芯片示意圖表1列出了電壓基準芯片與精度相關的各項參

4、數(shù)。首先要考慮輸出電壓的初始精度。不同型號的電壓 基準芯片，初始精度可能從 0.02%變化到1%這就意味著它們能夠達到不同的系統(tǒng)精度，0.02%能夠適應12位的系統(tǒng)精度，1%只能夠適應6位的系統(tǒng)精度。對于不能自行校準的系統(tǒng)，需要根據(jù)精度要求選擇初始 精度合適的芯片。多數(shù)系統(tǒng)設計者可以通過軟件或硬件校準調(diào)整初始精度誤差，因此初始精度并不是限制 電壓基準芯片應用的主要因素。描述實際輸出電壓值設計典塑值rig% 設任典塑値“焙出電壓最大值輸出電壓最小值輸出電壓典塑值鶯工作溫度范19工作時閭衽1.000小時或更崔時間內(nèi)輸岀電壓的變代0.1 HZ到10也的低頻峰峰值IOHzIOkHz的寬帶茗效値噪聲釀性

5、調(diào)整率輸入電壓變化引起的輸出電壓變化卩pme表1.電壓基準芯片的主要參數(shù)。輸出電壓的溫度漂移系數(shù)是衡量電壓基準芯片性能的一個重要參數(shù)。它代表一個平均量，可以通過這 個參數(shù)估算芯片輸出電壓在整個工作溫度范圍內(nèi)的變化范圍，這個參數(shù)不代表某一特定溫度點的輸出電壓 隨溫度變化的斜率。由溫度漂移導致的精度誤差很難通過系統(tǒng)校準的方法來減小。ICN25XX系列電壓基準芯片采用專利的補償電路和修調(diào)電路實現(xiàn)了良好的溫度漂移特性：在-40?C至U125?C溫度范圍內(nèi)，溫度漂移系數(shù)小于10ppm/?C。圖2為測試得到的典型溫度漂移曲線。2+0862.04842.0482.04782M762W42,072創(chuàng) -250

6、255075100 U5 ISO溫度®啡庫圖2. ICN2520 典型溫度漂移曲線ppm/kh電壓基準芯片的輸出電壓會隨著使用時間增加而變化，通常是朝一個方向按指數(shù)特性變化，使用時間 越長，變化越小，因此以公式i為單位表示電壓基準芯片的長期穩(wěn)定性，以反映輸出電壓變化量隨使用時間指數(shù)衰減。長期穩(wěn)定性是在幾個月甚至幾年的使用過程中體現(xiàn)出來的，很難通過出廠時的測試來保證。 有些芯片會在出廠前經(jīng)過一段時間的老化測試以保證較好的長期穩(wěn)定性。定期對系統(tǒng)進行校準，可以避免 長期穩(wěn)定性帶來的誤差。對于無法定期校準的系統(tǒng)，就要選用具有良好的長期穩(wěn)定性的電壓基準芯片。采 用金屬殼封裝的芯片，由于排除了封

7、裝應力的影響，因而一般具有更好的長期穩(wěn)定性。噪聲是衡量電壓基準芯片的性能的另一個重要參數(shù)。通常在0.1Hz到10Hz和10Hz到10kHz兩個頻率范圍內(nèi)給出噪聲參數(shù)，以便設計者估算電壓基準在所關注的頻率范圍內(nèi)的噪聲。輸出噪聲通常與輸出電壓 成比例，以ppm為單位。0.1Hz到10Hz的噪聲主要是閃爍噪聲，或稱為公式2噪聲，其噪聲幅度與頻率成反比，一般會給出這一頻率范圍內(nèi)噪聲的峰峰值(P-P )。不同半導體器件的閃爍噪聲特性差別很大，例如MOSFET勺閃爍噪聲比較大，而雙極型晶體管的閃爍噪聲則要小得多，次表面擊穿的穩(wěn)壓管閃爍噪聲也 很小，因此采用不同工藝設計的電壓基準芯片，低頻噪聲特性差別會比較

8、大。1/碌證寬帶噪聲圖3. ICN2520電壓基準芯片的噪聲特性曲線10Hz到10kHz頻率范圍以及高于這個頻率范圍的噪聲主要是熱噪聲，在有效帶寬內(nèi)頻率特性基本上是平坦的，通過給出的噪聲有效值(rms )可以很容易估算出某一頻率范圍內(nèi)的熱噪聲。增大電流可以有效 降低噪聲，因此優(yōu)良的噪聲特性往往是以犧牲功耗為代價的。用戶可以在電壓基準輸出端添加濾波電容或其他濾波電路限制噪聲帶寬，以改善噪聲特性，從而達到設計要求。ICN25XX系列電壓基準芯片采用特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，達到了 CMOST藝通常很難實現(xiàn)的低噪聲水平：0伯z到10Hz為13ppm( P-P); 10Hz到10kHz為32ppm (rms);

9、而且還保持了 CMO工藝的功耗優(yōu)勢，靜態(tài)電 流僅為75A。某些應用對電壓基準芯片的瞬態(tài)特性會有要求。瞬態(tài)特性包括三個方面：上電建立時間、小信號輸出 阻抗（高頻）、大信號恢復時間（動態(tài)負載）。不同廠商推出的電壓基準芯片的瞬態(tài)特性可能區(qū)別很大， 良好的瞬態(tài)特性往往也是以犧牲功耗為代價的。ICN25XX系列電壓基準內(nèi)部集成緩沖放大器，采用特殊結(jié)構(gòu)，能夠提供良好的瞬態(tài)特性、線性調(diào)整率及負載調(diào)整率，并能夠保證很大輸出濾波電容范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。選型示例：根據(jù)前面的討論，引起電壓基準輸出電壓背離標稱值的主要因素是：初始精度,溫度，系數(shù)，噪聲, 以及長期漂移等因此，在選擇一個電壓基準時，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，不能簡單地以單個參數(shù)（如初始精度）為選擇條件舉例來說，一個12 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，要求分辨到1LSB（相當于1/2M2