電壓基準(zhǔn)及時(shí)間基準(zhǔn)解析

1、01 電壓基準(zhǔn)及時(shí)間基準(zhǔn)所有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)都需要一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)，通常為電壓基準(zhǔn) 。 ADC的數(shù)字輸出表示模擬輸入相對(duì)于它的基準(zhǔn)的比率；DAC的數(shù)字輸入表示模擬輸 出相對(duì)它的基準(zhǔn)的比率。有些轉(zhuǎn)換器有內(nèi)部基準(zhǔn)，有一些轉(zhuǎn)換器需要外部基準(zhǔn)。不管怎樣所 有轉(zhuǎn)換器都必須有一個(gè)電壓(或電流)基準(zhǔn)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最早應(yīng)用是用于緩慢變化信號(hào)的直流測(cè)量。在這種情況下，測(cè) 量 的精確定時(shí)并不重要。當(dāng)今大多數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中必須處 理大量等間隔的模擬采樣值，而且頻譜信息與幅度信息同樣重要，這里涉及到的采樣頻率或 時(shí)間基準(zhǔn)(采樣時(shí)鐘或重建時(shí)鐘)與電壓基準(zhǔn)一樣重要。電壓

2、基準(zhǔn)問：一個(gè)電壓基準(zhǔn)怎樣才算好?答：電壓基準(zhǔn)與系統(tǒng)有關(guān)。在要求絕對(duì)測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合，其準(zhǔn)確度受使用基準(zhǔn)值 的準(zhǔn)確度的限制。但是在許多系統(tǒng)中穩(wěn)定性和重復(fù)性比絕對(duì)精度更重要；而在有些數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)中電壓基準(zhǔn)的長(zhǎng)期準(zhǔn)確度幾乎完全不重要，但是如果從有噪聲的系統(tǒng)電源中派生基準(zhǔn)就 會(huì)引起誤差。單片隱埋齊納基準(zhǔn)(如AD588和AD688)在10 V時(shí)具有1 mV初始準(zhǔn)確度(001 %或100 ppm)， 溫度 系數(shù)為15 ppm/°C。這種基準(zhǔn)用于未調(diào)整的12位系統(tǒng)中有足夠的準(zhǔn)確度(1 LSB=244 ppm) ，但 還不能用于14或16位系統(tǒng)。如果初始誤差調(diào)整到零，在限定的溫度范圍內(nèi)可用于14位和

3、16位 系統(tǒng)(AD588或AD688限定40溫度變化范圍，1 LSB=61 ppm)。對(duì)于要求更高的絕對(duì)精度，基準(zhǔn)的溫度需要用一個(gè)恒溫箱來(lái)穩(wěn)定，并對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。在 許多系統(tǒng)中，12位絕對(duì)精度是不需要這樣做的，只有高于12位分辨率才可能需要。對(duì)于準(zhǔn)確 度較低(價(jià)格也會(huì)降低)的應(yīng)用，可以使用帶隙 基準(zhǔn)。問：這里提到的“隱埋齊納”和“帶隙”基準(zhǔn)是什么意思?答：這是兩種最常見的用于集成電路中的精密基準(zhǔn)?！半[埋”或表層下齊納管比 較 穩(wěn)定和精確。它是由一個(gè)具有反向擊穿電壓修正值的二極管組成，這個(gè)二極管埋在集成電路 芯片的表層下面，再用保護(hù)擴(kuò)散層覆蓋以免在表面下?lián)舸?，見圖11。圖11 表層齊納二極管與隱埋

4、齊納二極管結(jié)構(gòu)圖 硅芯片表面和芯片內(nèi)部相比有較多的雜質(zhì)、機(jī)械應(yīng)力和晶格錯(cuò)位。這是產(chǎn)生噪聲和長(zhǎng)期 不穩(wěn)定性的原因之一，所以隱埋式齊納二極管比表層式齊納二極管的噪聲小，而且穩(wěn)定得多 ，因此它被優(yōu)先采用于芯片基準(zhǔn)源上作為精密的集成電路器件。但是隱埋式二極管的擊穿電壓標(biāo)稱值大約為5 V或更大一些，而且為了使它處于最佳工作 狀態(tài)，必須吸收幾百微安的電流，所以這種方法對(duì)于必須工作在低電壓并且具有低功耗的基 準(zhǔn) 來(lái)說是不適宜的。對(duì)于這樣的應(yīng)用，我們寧愿用“帶隙”基準(zhǔn)。于是研制出一個(gè)具有一個(gè)正 溫度系數(shù)的電壓用以補(bǔ)償具有負(fù)溫度系數(shù)的晶體管的V be ，用來(lái)維持一個(gè)恒定的“帶 隙”電壓(見圖12)三極管Q2發(fā)射

5、極面積是Q1的8倍；這兩個(gè)管子在R1上產(chǎn)生 一個(gè)正比于絕對(duì)溫度的電流，一個(gè)正比于絕對(duì)溫度的電壓與Q1的V be 串聯(lián)，產(chǎn)生電 壓VZ，它不隨溫度變化并且可以被放大(見圖12)，這個(gè)電壓等于硅的帶隙電壓(外推到 絕對(duì)零度)。圖12 帶隙基準(zhǔn)原理圖 帶隙基準(zhǔn)與最好的隱埋齊納基準(zhǔn)相比，其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性稍微差一點(diǎn)兒，但是溫度特性 可優(yōu)于3 ppm/°C。問：在使用電壓基準(zhǔn)時(shí)應(yīng)注意些什么問題?答：須記住好的模擬電路設(shè)計(jì)的基本考慮是：注意在高阻抗導(dǎo)體上的電壓降、 來(lái)自公共地線阻抗的噪聲和來(lái)自不適當(dāng)?shù)碾娫慈ヱ町a(chǎn)生的噪聲。考慮基準(zhǔn)電流流動(dòng)的方向， 并且對(duì)容性負(fù)載要多加小心。問：我知道電壓降和噪聲的影

6、響，但是基準(zhǔn)是不是必須向?qū)w電壓降提供足夠大的 電流影響才明顯?答：通常基準(zhǔn)電路內(nèi)部是經(jīng)過緩沖的，大多數(shù)情況可流出或流入510 mA電流。 有些應(yīng)用需要這樣大的或更大一點(diǎn)的電流，例如把基準(zhǔn)作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)。另外一種情況是 激勵(lì)高速閃爍式ADC的基準(zhǔn)輸入，它具有非常低的阻抗。10 mA電流流過100 m阻抗，產(chǎn)生1 mV電壓降，這可能算是比較明顯的了。最高性能的電壓基準(zhǔn)，如AD588和AD688，對(duì)于它們 的輸出和輸出接地端采用開爾文接法(見圖13)。接線時(shí)應(yīng)靠近誤差源周圍的反饋回路避免 電壓降的影響；當(dāng)電流緩沖放大器被用來(lái)驅(qū)動(dòng)許多負(fù)載，或吸收流到錯(cuò)誤方向的電流時(shí)它 們也可修正增益和 失調(diào)誤差。檢

7、測(cè)端應(yīng)該接到緩沖放大器的輸出端(最好接在負(fù)載上)。 問：什么叫開爾文接法? 答：開爾文接法(Kelvin connections)又稱強(qiáng)制與檢測(cè)接法(force and sense connections )，是用來(lái)消除電路中導(dǎo)線上產(chǎn)生的電壓降影響的一種簡(jiǎn)便方法。如圖14(a)所示，負(fù)載電 流 (IL)和導(dǎo)線電阻(R)在負(fù)載上產(chǎn)生一個(gè)電壓誤差，V ERROR =R×IL。圖14(b)所示 的開 爾文接法解決了放大器的強(qiáng)制環(huán)路內(nèi)的導(dǎo)線電阻和檢測(cè)的負(fù)載電壓所帶來(lái)的問題。放大器對(duì) 負(fù)載電壓的任何誤差都做了修正。在圖14所示的電路中放大器的輸出電壓實(shí)際上應(yīng)該為10 V+V ERROR ，在負(fù)

8、載上的電壓卻是所要求的10 V。AD588有三個(gè)放大器用來(lái)提供開爾文接法。放大器A2專門用來(lái)接地強(qiáng)制檢測(cè)，而獨(dú)立的 放大器A3和A4可任意選用作為其它的強(qiáng)制檢測(cè)接法的核心器件。 圖13 AD588功能框圖 圖14 開爾文接法的優(yōu)點(diǎn) 問：“流到錯(cuò)誤方向”是什么意思?答：考慮一個(gè)工作電源電壓為+10 V、輸出為+5 V的基準(zhǔn)。假如它的5 V輸出端 是通過 一個(gè)接地的電阻器取出的，那么電流將從基準(zhǔn)端流出。假如電阻器不接到電源的+10 V端， 那 么電流將流入基準(zhǔn)端。大多數(shù)基準(zhǔn)允許電流流入或流出。但是有些基準(zhǔn)只允許提供電流而不 吸收電流或者吸收能力比流出能力小得多。這樣的器件，利用產(chǎn)品說明中規(guī)定的輸出

9、電流方 式可以識(shí)別，對(duì)于有相當(dāng)大的凈電流必須流入基準(zhǔn)端的應(yīng)用場(chǎng)合，就不能使用這種器件。一 個(gè)常見的例子是用一個(gè)正基準(zhǔn)改為負(fù)基準(zhǔn)(見圖15)。 問：為什么不去買一個(gè)負(fù)基準(zhǔn)呢?答：因?yàn)榇蠖鄶?shù)單極性電壓輸出的基準(zhǔn)都是正基準(zhǔn)。當(dāng)然，兩端有源基準(zhǔn)可用于 任何極性，它們的使用方法和齊納二極管相同(并且它們通常是帶隙基準(zhǔn))。對(duì)于被用作負(fù)基準(zhǔn)的三端正基準(zhǔn)，它肯定會(huì)吸收電流。它的輸出端連到 接地端，而它的 接地端(將成為負(fù)基準(zhǔn)端)經(jīng)過一個(gè)電阻器(或一個(gè)恒流源)接到負(fù)電源端。正電源端通常必須 接到正電源，它至少比接地端要高幾伏。但有一些器件也能用二端方式提供負(fù)基準(zhǔn)：正電源 端和輸出端都接到接地端。電阻器RS(或恒

10、流源)必須選擇適合于負(fù)電源所要求值，并且基準(zhǔn)負(fù)載電流、接地端電流和 輸出端電流都在額定范圍內(nèi)。圖15 AD586負(fù)基準(zhǔn)接線圖 問：容性負(fù)載是怎么回事?答：許多基準(zhǔn)帶有輸出放大器，當(dāng)接上大的容性負(fù)載工作時(shí)，輸出會(huì)變得不穩(wěn)定 并且可能振蕩。因此為了減少噪聲，在基準(zhǔn)輸出端接上(幾個(gè)F或更大)的大電容是不妥當(dāng) 的 ，但110 nF的電容常常是允許的，有一些基準(zhǔn)(如AD588)有減少噪聲端，電容可以安全地 接 上去。假如提供強(qiáng)制檢測(cè)端，在容性負(fù)載條件下有可能改善回路動(dòng)態(tài)特性。為弄清楚，請(qǐng)查 閱產(chǎn)品說明和咨詢制造廠家應(yīng)用工程師。即使電路是穩(wěn)定的，使用大的容性負(fù)載也是不合理 的，因?yàn)檫@樣會(huì)使基準(zhǔn)導(dǎo)通時(shí)間增加

11、。問：電源一接通，基準(zhǔn)能立即導(dǎo)通嗎?答：決不是這樣。在許多基準(zhǔn)中驅(qū)動(dòng)基準(zhǔn)元件(齊納管或帶隙基準(zhǔn))的電流是從穩(wěn) 定輸出中分流出來(lái)的。這種正反饋增加了直流穩(wěn)定性，但卻產(chǎn)生一個(gè)阻制啟動(dòng)穩(wěn)定的“斷” 狀態(tài) 。芯片內(nèi)部電路為了解決這個(gè)問題并且便于啟動(dòng)，通常設(shè)計(jì)成吸收接近最小的電流，所以許 多基準(zhǔn)要稍微慢一點(diǎn)才能達(dá)到指標(biāo)(一般需要110 ms)。有些基準(zhǔn)確實(shí)給出了比較快的 啟動(dòng)特性，但也有一些還是比較慢的。假如設(shè)計(jì)師需要在電源接通后要求基準(zhǔn)電壓能非常迅速地應(yīng)用于電路中，就要挑選具有 足夠快的導(dǎo)通特性的基準(zhǔn)，并且應(yīng)使降噪電容(noise reduction capacitance)最小。為了 使系統(tǒng)省電，基

12、準(zhǔn)導(dǎo)通延遲可能會(huì)限制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)選通供電的機(jī)會(huì)，即使基準(zhǔn)位于轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部，這個(gè)問題仍然應(yīng)該 考慮。另外考慮轉(zhuǎn)換器的電源起動(dòng)特性在這種系統(tǒng)中也是同樣重要的。高精度的基準(zhǔn)在電源接通后，芯片達(dá)到熱穩(wěn)定之前可能需要一個(gè)額外的熱穩(wěn)定周期并且 使 得受熱所引起的失調(diào)達(dá)到它們的最終穩(wěn)定值，這種影響在產(chǎn)品說明中將會(huì)給出，一般不超過 幾秒鐘的時(shí)間。問：能否使用高精度基準(zhǔn)來(lái)代替內(nèi)部基準(zhǔn)使轉(zhuǎn)換器更準(zhǔn)確?答：不必要。例如常規(guī)的AD574的換代產(chǎn)品高速AD674B出廠調(diào)整好的校準(zhǔn)誤差 為 025%(±10 LSB)，它帶有內(nèi)部基準(zhǔn)準(zhǔn)確度在±100 mV(1%)以內(nèi)。因?yàn)?0 V的025%為25

13、m V，所以滿度為10000 V±25 mV。 假如一個(gè)具有1%的AD674B，出廠調(diào)整時(shí)，用增加1%增益方法使?jié)M度成為10000 V 調(diào)整到高 的內(nèi)部基準(zhǔn)(101V)，倘若把精確度基準(zhǔn)為1000 V的基準(zhǔn)AD588接到AD674B基準(zhǔn)的輸入端 ，滿度就變?yōu)?0100 V，誤差是原來(lái)指標(biāo)中最大誤差的4倍，所以這種做法是不必要的。時(shí)間基準(zhǔn)問：你為什么說系統(tǒng)的時(shí)鐘是一種基準(zhǔn)?答：這個(gè)說法并不是指對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器所施加的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。原則上它用于數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘。在這些系統(tǒng)中，對(duì)于存儲(chǔ)、通信、計(jì)算分析或其它處理需要對(duì)信號(hào)按照預(yù) 定的間隔(通常是等間隔)重復(fù)采樣。采樣時(shí)鐘的品質(zhì)是系統(tǒng)性能的一

14、個(gè)限制因素。問：晶體振蕩器是非常穩(wěn)定的，是嗎?答：晶體振蕩器雖然具有很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，但它經(jīng)常產(chǎn)生短期的相位噪聲。如 果設(shè)計(jì)者不使用晶體振蕩器而使用RC弛張振蕩器(如555或4046)也會(huì)導(dǎo)入相位噪聲。弛張振 蕩器有很大的相位噪聲。問：怎樣才能保證采樣時(shí)鐘具有低的相位噪聲?答：在你的微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器中不能使用晶體振蕩器電路作為采樣時(shí)鐘 源。在晶體振蕩器電路中盡可能不使用邏輯門電路。晶體振蕩器通常是用邏輯門過激勵(lì)晶體 構(gòu) 成的，這不僅對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性沒有好處，而且會(huì)引入比一個(gè)簡(jiǎn)單的晶體管振蕩器還壞的相位噪 聲 。另外來(lái)自處理器的數(shù)字噪聲，或者從集成封裝的其它門電路來(lái)的數(shù)字噪聲(假設(shè)邏輯門用

15、作振蕩器)將作為相位噪聲出現(xiàn)在振蕩器輸出端。理想情況下，可使用一只晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管作為晶體振蕩器和具有一個(gè)邏輯門的緩沖器。 這個(gè)邏輯門和振蕩器本身具有去耦極好的電源。集成封裝的門電路將不被采用，因?yàn)閬?lái)自那 里的邏輯噪聲將對(duì)信號(hào)相位調(diào)制(它們可以用在直流場(chǎng)合，但不能用于快速開關(guān)狀態(tài))。 假如在晶體振蕩器和各種模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘輸入端之間有一個(gè)分頻器，要使這個(gè)分 頻器的電源與系統(tǒng)邏輯分別進(jìn)行去耦，以使電源噪聲避開相位調(diào)制時(shí)鐘。采樣時(shí)鐘電源線應(yīng)遠(yuǎn)離所有的邏輯信號(hào)線以防止來(lái)自引入的相位噪聲干擾。同時(shí)它還應(yīng)遠(yuǎn)離 低電平模擬信號(hào)線，以免使之惡化。問：你已經(jīng)告訴我不要使用處理器中的時(shí)鐘振蕩器作為采樣的時(shí)鐘源。為什么不能 使用?因?yàn)檫@些信號(hào)之間有一個(gè)恒定的相位關(guān)系，所以兩者用同一振蕩器不是很合理嗎?答：確實(shí)如此，但在這種情況下使用一個(gè)獨(dú)立的低噪聲振蕩器驅(qū)動(dòng)處理器的時(shí)鐘 輸入和經(jīng)過分離緩沖的采樣時(shí)鐘分頻器(雖然它們可封裝在一起)常常是比使用處理器中的 振蕩器要好。在具有低采樣速率中等精度的系統(tǒng)中使用處理器內(nèi)部振蕩器才有可能，但要用 圖16核對(duì)。問：一個(gè)采樣時(shí)鐘上的噪聲問題究竟怎樣嚴(yán)重?這個(gè)問題在有關(guān)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 文章中很少見。答：因?yàn)槭褂孟到y(tǒng)的限制因素是采樣保持電路的孔徑抖動(dòng)，所以采樣時(shí)鐘的相位 噪聲往往被忽視。但假如我們把系統(tǒng)作為一個(gè)整體考慮，那么孔徑抖動(dòng)恰