提高参考电压稳定性以提高系统精度

每当您衡量某物时，您都需要一个参考来衡量。在测量电压的电子系统中——无论是数字万用表 （DMM） 等通用仪器、测量电阻器上的电压降以确定电流的电路，还是测量特定类型输出电压的传感器接口传感器 - 您需要一个电压参考来确保您的测量值是正确的。

在测量系统中，模数转换器 （ADC） 将输入电压与参考电压进行比较，并生成表示输入信号与参考电压之间关系的代码。参考电压中的任何误差都会直接导致测量数据出现误差。

当我们为特定功能选择电压基准时，我们通常首先关注几个顶级精度规格：初始精度（室温下的精度）和温度系数（输出电压的变化作为温度）。举个简单的例子，如果我们需要电压基准在整个温度范围内的总精度为 ±0.2%，我们可能会选择初始精度为 ±0.1% 且温度系数为 ±10ppm/°C 的基准电压源。在 25°C 和 125°C 之间，温度系数可以变化 10ppm/°C x 100°C，或 1000ppm （0.1%），因此我们可以预期总误差（初始 + 漂移）小于 ±0.2%。

为了改善总误差，我们可以选择具有更小初始误差和/或温度系数值的更高精度电压基准。改进的规格是更复杂的设计和校准技术的结果。然而，随着精度的提高，还有一些额外的误差源变得明显。在高性能系统中变得至关重要的是长期漂移 （LTD）。您可以在大多数电压参考数据表中找到列出的 LTD 规格。这些通常显示运行 1，000 小时后的典型漂移。造成 LTD 的原因有多种，但主要原因是电路板组装过程中对封装产生的应力。由于暴露在高温下，塑料 IC 封装会稍微改变形状，这会对电压基准芯片施加压力。随着装配应力在数小时内稳定下来，电压基准的输出会发生变化。变化的程度取决于电路设计、布局、封装和其他因素，通常在 10 ppm 的量级。

图 1 显示了典型电压基准的 LTD。如您所见，在非常高精度的测量系统中，LTD 可能大到足以随着时间的推移影响精度。组装后立即进行系统校准可以提高系统的初始精度，但会在数周和数月内发生变化。

有一些方法可以改善校准后的 LTD。您可以在校准前在电路板上烧几个月，但这种方法的实用性有限。另一种方法是让电路板在几个小时内完成一个或两个温度循环，这通常有助于应力更快地稳定下来。

在 IC 制造方面，电压基准芯片可以内置到比传统塑料封装更稳定的封装中。陶瓷封装的组装后弯曲程度远低于塑料封装，因此可以显着改善 LTD。图 2 显示了这种陶瓷封装的一个示例。与早期的陶瓷封装相比，后者往往大得不切实际，3mm x 3mm 的尺寸与需要小元件的密集电路板兼容。

使用改进的包的效果是惊人的。图 3 显示了与图 1 相同的电压基准 IC（工作电路在左侧），但安装在新的陶瓷封装中。LTD（如图右侧所示）显然要好得多。

概括

准确和稳定的电压基准对高性能测量系统至关重要。LTD 可以通过在紧凑的陶瓷封装中安装电压基准来提高，从而在较小的占位面积内提高系统性能。

审核编辑：郭婷