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作者：antonine 由于數(shù)字電路、微控制器的飛速發(fā)展，原來很多由模擬電路完成的任務(wù)變?yōu)橛蓴?shù)模混合電路來完成。模擬信號經(jīng)過放大、濾波等預(yù)處理后送入ADC轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，由單片機或DSP進行信號處理;由單片機、DSP的計算數(shù)字結(jié)果經(jīng)由DAC轉(zhuǎn)化為模擬量對執(zhí)行器進行控制。 在上述信號鏈路中一個非常重要的環(huán)節(jié)就是A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換，這是連接模擬世界與數(shù)字世界的橋梁。在模擬信號與數(shù)字信號相互轉(zhuǎn)換的過程中，基準電壓芯片起到舉足輕重的作用，它為模擬信號的量化工作提供標準。電子工程師越來越多地使用不同規(guī)格的基準電壓芯片。但是，很多人剛開始接觸基準電壓芯片時感到一籌莫展，甚至有些工程師也只關(guān)心基準電壓芯片的精度(其實是初始精度)這一指標。 下面我們一起來揭開基準電壓芯片的神秘面紗。 基準電壓芯片的分類 從電路拓撲結(jié)構(gòu)來分，基準電壓芯片可分為串聯(lián)穩(wěn)壓型和并聯(lián)穩(wěn)壓型兩種。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)和穩(wěn)壓原理來看，可分為齊納二極管型(包括基于齊納二極管的集成基準電壓源)和帶隙式(band-gap)兩類。 最簡單的穩(wěn)壓芯片就是齊納穩(wěn)壓二極管，它也是典型的并聯(lián)穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)——負載與基準電壓芯片為并聯(lián)連接。普通的齊納二極管型的基準電源源具有初始精度不太好，噪聲較大等缺點，在當前的電路設(shè)計中已經(jīng)很少作為基準電壓源使用。但經(jīng)過特殊補償、采用深埋工藝的齊納管型基準源，具有很好噪聲指標、非常優(yōu)異長期穩(wěn)定性和溫漂特性，在高端測量領(lǐng)域依然不可替代。例如LM399，其長期穩(wěn)定性達20ppm/1000h，溫漂低至0.3ppm/ ,而性能更好的LTZ1000長期穩(wěn)定性達到驚人0.3ppm/1000h，溫漂達到0.05ppm/ 。這兩款基準電壓源雖已生產(chǎn)了幾十年時間，但由于其無與倫比的性能指標，在對基準電壓源要求嚴苛的高精度測量領(lǐng)域，如6位以上萬用表、高精度稱重等，這兩款芯片直到今天依然不可替代。 在通用電路設(shè)計中，帶隙式基準電壓源以其相對低廉的價格、較高的性能指標得到非常廣泛的應(yīng)用。從TL431、LM385、LM336等價格非常便宜的基準源到MAX6535、ADR431、REF5025等性能非常優(yōu)秀的高精度基準電壓源，帶隙式基準電壓源幾乎無處不在。下圖為帶隙結(jié)構(gòu)示意圖，簡單來說它采用一個帶有負溫度系數(shù)的BE結(jié)對帶有正溫度系數(shù)的電壓產(chǎn)生器進行溫度補償，得到近似零溫度系數(shù)的基準電壓源。對帶隙結(jié)構(gòu)感興趣的朋友，可以專門查閱相關(guān)專著，限于篇幅這里不對此展開論述。 
現(xiàn)代電壓基準主要參數(shù) 長期穩(wěn)定性，之所以將這個參數(shù)排在最前面，是由于這是一個非常重要但卻被很多人忽視的參數(shù)。通常以ppm/1000h為單位，即每1000小時基準源的輸出變化多少，也就是老化性能。很多國產(chǎn)儀器儀表隨著使用時間越來越長，精度變得越來越差，有很大一部分原因是由于基準源的老化性能不好。通常這個參數(shù)隨著基準源的使用時間越來越小，所以有些廠家會標識第二個1000小時的長期穩(wěn)定性指標，如下圖為某精度基準電壓源的老化參數(shù)，第二個1000小時的老化指標明顯優(yōu)于第一個1000小時。
溫度系數(shù)，顧名思義指基準源輸出隨溫度變化的指標。根據(jù)系統(tǒng)工作溫度范圍，為系統(tǒng)中的ADC、DAC選擇適當溫度系數(shù)的基準電壓源非常重要。否則，隨著溫度的變化，ADC或DAC將達不到設(shè)計的性能指標。另外值得注意的是，基準電壓源的溫度特性通常可以經(jīng)過校正達到更好的指標(由于溫度遲滯等特性，理論上不能完全消除)。 初始精度，指上電時輸出電壓與標稱電壓之間的差值。由于基準源的初始電壓是一個對外部條件(溫度、輸入電壓等)不太敏感的定值，所以比較容易進行校準。與溫度系數(shù)、老化指標相比，重要性略差一些。例如前文提到的頂級基準電壓源LTZ1000的初始精度只有4%，比tl431還要差一些，但這不并妨礙它成為頂級基準源。 噪聲，基準源的噪聲通常是隨機噪聲，但也可能包含閃爍噪聲和其它寄生噪聲源，在電路設(shè)計時需要注意基準源的噪聲處理，防止基準源噪聲對轉(zhuǎn)化精度造成影響。噪聲的表示方法通常有均方根噪聲和峰峰值噪聲兩種表示方式。 |
