询问应用工程师：基准电压源必须有多好

所有模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）都需要参考信号，通常是电压。ADC的数字输出表示输入与基准电压源的比率，DAC的数字输入定义其模拟输出与基准电压源的比率。有些转换器内置基准电压源，有些转换器需要外部基准电压源，但所有转换器都必须具有某种电压（或电流）基准电压源。

数据转换器的大多数早期应用都是在缓慢变化的信号的“直流”测量中，其中测量的确切时间并不重要。如今，大多数数据转换器应用都在采样数据系统中，其中必须处理大量等间距的模拟样本，频谱信息与幅度信息一样重要。这里，频率或时间基准（“采样时钟”或“重建时钟”）的质量与基准电压源的质量相当。

电压基准

Q. 基准电压源必须有多好？

一个。这取决于系统。在需要绝对测量的情况下，精度受到已知参考值的精度的限制。然而，在许多系统中，稳定性或可重复性比绝对精度更重要;在一些采样数据系统中，基准电压源的长期精度并不重要，但从噪声系统电源获取基准电压源可能会引入误差。

单芯片埋入齐纳基准电压源（例如AD588和AD688）在1 V（10.0%或01 ppm）时的初始精度为100 mV，温度系数为1.5 ppm/°C。 它们足够精确，可以在 12 位系统 （1 LSB = 244 ppm） 中使用未修整，但在 14 位或 16 位系统中则不然。将初始误差修整为零后，它们可在有限的温度范围内用于 14 位和 16 位系统。（1 LSB = 61 ppm，AD40或AD588的温度变化为688°C）。

为了获得更高的绝对精度，可能需要在恒温控制的烘箱中稳定参考的温度，并根据标准进行校准。在许多系统中，虽然不需要 12 位绝对精度，但可能需要 12 位或更高的分辨率;这里可以使用精度较低（且成本较低）的带隙基准电压源。

问：“埋藏齐纳”和“带隙”是什么意思？

一个。这是集成电路中最常用的两种精密基准电压源。

“埋藏”或地下齐纳更稳定和准确。它由一个具有正确反向击穿电压值的二极管组成，形成在集成电路芯片的表面水平以下，然后被保护性扩散覆盖以保持击穿低于表面。

在硅芯片的表面，杂质、机械应力和晶格位错比芯片内部多。由于这些会导致噪声和长期不稳定，埋入式击穿二极管的噪声更小，并且比表面齐纳二极管更稳定 - 它是精确IC器件的首选片内基准源。

然而，其击穿电压通常约为5 V或更高，并且必须消耗数百微安才能获得最佳操作，因此该技术不适用于必须从低电压运行且功耗低的基准电压源。对于此类应用，首选“带隙”基准。它产生具有正温度系数的电压，以补偿晶体管V的负温度系数是，保持恒定的“带隙”电压。在所示电路中，* Q2的发射极面积是Ql的8倍;该对在R1中产生与其绝对温度（PTAT）成比例的电流，从而产生与V串联的PTAT电压是Q1，产生电压Vz，不随温度变化，可以放大，如图所示。它等于硅带隙电压（外推到绝对零）。

带隙基准电压源的精度和稳定性略低于最佳埋藏齐纳基准电压源，但可以实现优于3 ppm/°C的温度变化。

Q. 使用基准电压源时应采取哪些预防措施？

答：请记住良好模拟电路设计的基础知识：注意高阻抗导体中的压降、公共接地阻抗产生的噪声以及去耦电源轨未充分产生的噪声。考虑基准电流流向哪个方向，并注意容性负载。

问：我知道电压降和噪声的影响，但基准电压源是否必须提供足够大的电流才能使导体中的压降变得显著？

一个。通常，基准电压源在内部缓冲;大多数将拉出和吸收 5-10 mA。某些应用可能需要此量级或更大的电流;例如，引用用作系统引用;另一种是驱动具有非常低阻抗的高速闪存ADC的基准输入。流淌在10毫欧姆中的100 mA电流将经历1 mV的压降，这可能很大。性能最高的基准电压源，如AD588和AD688，其输出和输出接地端子均具有开尔文（力检测）连接。通过围绕误差源闭合反馈环路，这些连接避免了压降的影响;当电流缓冲放大器用于驱动大量负载或灌电流流向错误方向时，它们还可以校正增益和失调误差。检测端应连接到缓冲放大器的输出侧，最好在负载端。

问：你说的流向错误的方向是什么意思“？

A. 考虑采用+5 V电源供电的+10 V基准电压源。如果其 5 伏输出端子由电阻器接地，电流将从端子流出。如果电阻连接到+10 V电源，电流将流入端子。大多数基准电压源将允许净电流沿任一方向流动;但有些会提供电流但不会吸收它 - 或者会吸收比源少得多。此类器件可通过数据手册中指定输出电流的方式进行识别，但不能用于必须将大量净电流流入基准端子的应用。一个常见的例子是使用正参考作为负参考。

问：为什么不直接购买负参考？

一个。因为大多数单电压输出基准都是正基准。当然，双引脚有源基准可用于任一极性;它们的使用方式与齐纳二极管相同（通常是带隙器件）。

要使三端正基准用作负基准，它必须能够吸收电流。其输出端子接地，其接地端子（成为负参考端子）通过电阻器（或恒流源）连接到负电源。正电源引脚通常必须连接到离地至少几伏的正电源。但有些器件可以在双端子模式下提供负基准：正端子和输出端子一起接地。

RS（或电流源）的选择，以便对于负电源和基准负载电流的所有预期值，接地和输出端电流都在额定值范围内。

Q. 容性负载呢？

一个。许多基准电压源的输出放大器变得不稳定，在大容性负载下工作时可能会振荡;因此，不建议将高电容（几μF或更高）连接到基准电压源的输出以降低噪声，但通常建议使用1-10 nF电容，并且某些基准电压源（例如AD588）具有降噪端子，电容可以安全连接。如果力检测端子可用，则可以在容性负载下定制环路动力学。请咨询数据表和制造商的应用工程师以确保。即使电路稳定，也可能不建议使用大容性负载，因为它们会增加基准电压源的导通时间。

问：接通电源后引用不会立即打开吗？

一个。绝不。在许多基准电压源中，驱动基准元件（齐纳或带隙）的电流来自稳定输出。这种正反馈增加了直流稳定性，但会导致稳定的“关闭”状态，从而抵抗启动。用于处理此问题并促进启动的片上电路通常设计为消耗最小电流，因此许多基准电压源的启动速度较慢（典型值为1-10 ms）。某些设备确实被指定为更快的开启;但有些甚至更慢。

如果设计人员在电路上电后非常快速地需要基准电压，则所选基准电压源必须具有足够快的导通规格;并且应尽量减少降噪电容。基准导通延迟可能会限制为数据转换系统电源进行选通的机会，以节省系统功耗。即使基准电压源内置于转换器芯片中，仍必须考虑该问题;在这种类型的系统中，考虑转换器的上电特性也很重要。

高精度基准电压源可能需要在导通后额外的热稳定时间，然后芯片才能达到热稳定性，热感应偏移才能达到其最终值。这种影响将在数据手册中提及，不太可能超过几秒钟。

Q. 使用这些高精度基准而不是其内部基准是否会使转换器更准确？

答：不一定。例如，经典AD674的高速后代产品AD574B的出厂调整校准误差最大值为0.25% （±l0 LSB），内部基准电压源保证精度在+100 mV （1%）以内。由于0 V = 25 mV的10.25%，满量程为10.000 V + 25 mV。假设具有674%高内部基准电压源（1.10 V）的AD1B在工厂针对10.000 V满量程进行了修整，增益增加了1%。如果将精确的10.00 V系统基准电压源连接到器件的基准电压源输入，满量程将变为588.10 V，是额定最大误差的100倍。

Q. 请讨论时钟作为系统参考的作用。

答：哎呀，我们没空间了！这个问题引入了一个值得深思熟虑讨论的话题。我们将在以后的期刊中执行此操作。

审核编辑：郭婷