电压参考有多好？

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参考的比率，DAC的数字输入定义了模拟输出与参考的比率。有些转换器内置了参考，有些转换器需要外部参考，但所有转换器都必须具有某种电压（或电流）参考值。

数据转换器的大多数早期应用都采用“直流”测量。缓慢变化的信号，其中测量的确切时间并不重要。今天，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隔的模拟采样，并且频谱信息与幅度信息一样重要。这里频率或时间参考的质量（“采样时钟”或“重建时钟”）与电压参考的质量相当。

电压参考

Q. 电压参考必须有多好？

A。这取决于系统。在需要绝对测量的情况下，精度受参考值已知的精度限制。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，电压基准的长期精度几乎不重要 - 但可以通过从噪声系统电源获得参考来引入误差。

单片埋入式齐纳基准（用于例如，AD588和AD688）在10 V（0.01％或100 ppm）的初始精度为1 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，但不能在14位或16位系统中使用。将初始误差调整为零，可在限定温度范围内将其用于14位和16位系统。 （1 LSB = 61 ppm，AD588或AD688的温度变化为40°C。）

为获得更高的绝对精度，参考温度可能需要在恒温控制的烤箱中稳定，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;在这里，可以使用不太准确（且成本较低）的带隙参考。

问： “埋藏的齐纳”和“带隙”是什么意思？

A。这些是集成电路中最常用的两种精密基准电压源。

“埋入式”或次表面齐纳二极管更稳定，更准确。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之下，然后由保护性扩散覆盖，以保持击穿低于表面。

< p>在硅片表面，杂质，机械应力和晶格位错比芯片内部更多。由于这些会导致噪声和长期不稳定性，因此埋入式击穿二极管噪声较小且比表面齐纳二极管更稳定 - 它是精确IC器件的首选片上基准源。

然而，其击穿电压通常约为5 V或更高，并且必须汲取几百微安才能实现最佳操作，因此该技术不适用于必须从低电压运行且功耗低的参考电压。对于此类应用，“带隙”参考是优选的。它产生具有正温度系数的电压，以补偿晶体管的V _be 的负温度系数，保持恒定的“带隙”电压。在所示的电路中，* Q2具有Q1的发射极面积的8倍;该对产生与R1中的绝对温度（PTAT）成比例的电流，产生与Q1的V _为串联的PTAT电压，产生电压，V _z 如图所示，它不随温度变化而可以放大。它等于硅带隙电压（外推至绝对零度）。

带隙基准电压比最佳埋入式齐纳基准电压源的精度和稳定性稍差，但温度变化优于3 ppm /°C

问：使用电压参考时应采取哪些预防措施？

A。记住良好的模拟电路设计的基础知识：注意高阻抗导体中的电压降，来自公共接地阻抗的噪声以及来自不充分去耦的电源轨的噪声。考虑参考电流在哪个方向流动，并注意容性负载。

Q. 我知道电压降和噪声的影响，但参考必须为导体中的电压降提供足够大的电流吗？

一个。通常，引用是内部缓冲的;大多数将采集和下沉5-10毫安。某些应用可能需要此级或更高级别的电流;一个例子是引用作为系统引用;另一个是驱动高速闪速ADC的参考输入，其具有非常低的阻抗。以100毫欧姆流动的10mA电流将经历1mV的电压降，这可能是显着的。最高性能的基准电压源，如AD588和AD688，具有开关（强制检测）连接，用于输出和输出接地端子。通过关闭误差源周围的反馈回路，这些连接避免了电压降的影响;当电流缓冲放大器用于驱动大量负载或吸收沿错误方向流动的电流时，它们还可以校正增益和失调误差。感应端子应连接到缓冲放大器的输出侧，最好连接到负载。

Q. 你说错误方向的流量是什么意思“？

A。考虑采用+ 10 V电源供电的+ 5V电源。如果其5伏输出端子通过电阻器接地，则电流将流出端子。如果电阻器连接到+ 10-V电源，电流将流入端子。大多数参考将允许任一方向的净电流;但是有些人会获得电流但不会下沉 - 或者会下沉得多于可以获得的电流。这些器件可通过数据手册中指定的输出电流的方式识别，但不能用于必须流入参考端子的大量净电流的应用中。一个常见的例子是使用正参考作为否定参考。

Q. 为什么不直接购买否定参考？

A。因为大多数单电压输出参考是正参考。当然，双引脚有源参考可用于任一极性;它们的使用方式与齐纳二极管相同（它们通常是带隙器件）。

要将三端正参考用作负参考，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（或恒流源）连接到负电源。正电源引脚通常必须连接到地电压至少几伏的正电源。但是有些器件可以在双端模式下提供负参考：正极和输出端子连接在一起。

必须选择R _S （或电流源）因此，对于负电源和参考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. 容性负载怎么样？

A。许多参考文献都有输出放大器变得不稳定，并且在大容性负载下工作时可能会振荡;所以不建议将高电容（几μF或更高）连接到参考输出以降低噪声，但通常建议使用1-10 nF电容 - 而某些参考电压（例如AD588）则具有降噪端子可以安全连接。如果力感测端子可用，则可以在容性负载下定制环路动态。请务必咨询数据表和制造商的应用工程师。即使电路稳定，也可能不建议使用大容性负载，因为它们会增加参考电压的开启时间。

Q. 请勿在接通电源后立即开启参考？

一个。绝不是。在许多参考文献中，驱动参考元件（齐纳或带隙）的电流源自稳定输出。这种正反馈会增加 dc 稳定性，但会导致稳定的“关闭”状态，从而抵抗启动。处理这种情况并促进启动的片上电路通常设计为吸收最小电流，因此许多参考电压稍微缓慢出现（典型值为1-10 ms）。确实有一些设备用于更快的开启;但有些甚至更慢。

如果设计人员在电路上电后很快需要参考电压，则所选参考电压必须具有足够快的开启规格;和降噪电容应尽量减少。参考开启延迟可能限制选通数据转换系统供应的机会，以节省系统功率。即使参考内置在转换器芯片中，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[在“​​询问应用工程师-1”中讨论，模拟对话 22-2（1988），p 。 29]。

在芯片达到热稳定性并且热感应偏移达到其最终值之前，高精度参考可能需要额外的热稳定时间。这些影响将在数据表中提及，不太可能超过几秒钟。

问： 使用这些高精度参考而不是内部参考会使转换器更准确吗？

A。不必要。例如，AD674B是经典AD574的高速后代，工厂调整校准误差最大为0.25％（±10 LSB），内部基准保证精确到+100 mV（1％）。由于10 V的0.25％= 25 mV，满量程为10.000 V + 25 mV。假设具有1％高内部基准电压（10.1 V）的AD674B已经过工厂调整，满量程为10.000 V，增益为1％。如果要将精确的10.00-V AD588系统参考连接到器件的参考输入，则满量程将变为10.100 V，是指定最大误差的4倍。

Q值。 请讨论时钟作为系统参考的作用。

A。哎呀，我们太空了！这个问题引入了一个值得深思熟虑的讨论的话题。我们将在以后的问题中这样做。

*来自Analog Dialogue 9-1（1975）也最佳模拟对话，1967年至1991年，p。 72。