电压基准的特性及选用解析

1、电压基准的特性及选用摘要从实际应用角度，介绍了电压基准的种类及特点 , 主要技术参数、选用电压基 准 的方法和注意事项。关键词齐纳基准带隙基准 XFET 基准初始精度温度系数、电压基准及其应用领域电压基准可提供一个精度远比电压稳压器高的多的精确输出电压，作为某个电 路系统 中的参考比较电压，因而称其为基准。电压基准在某些方面与电压稳压器类 似，但二者的 用途绝然不同。电压稳压器除了向负载输出一个稳定电压外还要供给 功率。电压基准的主 要用途是为系统或负载提供一个精确的参考电压，而其输出电 流通常在几至几十个毫安。电压基准的用途十分广泛，典型的应用常见于数据采集系统，用于为模数变换器 或数 模变

2、换器提供一个基准参考电压。另外，它还可用于各类开关或线性电压变换 电路、仪器 仪表电路和电池充电器中。二、电压基准的主要参数初始精度 ( Initial Accuracy 初始精度用于衡量一个电压基准输出电压的精确度或容限 , 即电压基准工作时 , 其输出 电压偏离其正常值的大小。通常，初始精度采用百分数表示，它并非是一个电 压单位，故 需换算才能获得电压偏离值的大小。例如，一个标称电压为2.5V的基准，初始精度为1%,则其电压精度范围为：5.2?5.2土土%.25.2V475V525.0025.2在厂商的数据手册中，初始电压精度通常是在不加载或在特定的负载电流条件 下测量的。对于电压基准而言

3、，初始精度是一个最为重要的性能指标之一。温度系数 （ Tempeiatuie Coefficient温度系数（简称TC用于衡量一个电压基准,其输出电压因受环境温度变化而偏离正常值的改变程度，它也是基准电压最重要的性能指标之一,通常用ppm/C表示（ppm是英文part per million的缩写,lppm表示百万分之一。例如，一个基准标称电压为10V,温度系数为1Oppm/C,则环境温度每变化1C,其输出电压改变IOVxIOxIO- 6=100卩需注意的是，温度系数可能是正向的 , 即基准的输出电压随温度的升高而 变大，也可能是负向的，即基准 的输出电压随温度的升高而变小，具体可查看厂商数据

4、 手册中的温度曲线图表。热迟滞 ( Tempeiatuie Hysteresis当电压基准的温度从某一点开始经受变化，然后再次返回该温度点，前后二次在 同一 温度点测得的电压值之差即为热迟滞。该参数虽不如温度系数重要，但对于温 度同期性变 化超过 25C 的情况仍是需引起重视的一个误差源。长期漂移 (Long-term Drift在数日、数月或更长持续的工作期间，电压基准输出电压的慢变化称为长期漂 移或稳 定性,通常用 Ppni/lOOOli 表示。当我们选用一个电压基准，要求它在持续数 日、数周、数 月基至数年的工作条件下保持输出电压精度，那么长期漂移便是一个 必须考虑的性能参数。噪声 (N

5、oise这里所说的噪声指电压基准输出端的电噪声，它又包括两种类型，一种是宽频带 的热 噪声,另一种是窄带(0.1? 10Hz噪声。宽带热噪声较小，且可利用简单的RC网络 滤除。窄带噪声是基准内部固有的且不可滤掉。在高精密设计中，噪声的因素是不可忽视的。 6.导通建立时 |B (TUIII-OII Setting Time系统加电后 , 基准输出电压达到稳定的建立时间，该参数对于采用电池供电的便 携式 系统来说是重要的，因为这类系统为了节省电能 , 常采用短时的或间隙方式供 电。 7.输入电 压调整率 ( Line Regulation用于衡量因输入电压变化引起的输出电压的改变，这是一个直流参数

6、，并不包括输入电压纹波或瞬变电压产生的影响。通过在输入端加一个预置稳压器或一个低成本的RC滤波器，即可有效地改善输入电压调整率。包括负8.负载调整率 (Load Regulation用于衡量因负载电流变化引起的输出电压的改变。这也是一个直流参数，并不载瞬变产生的影响。通过在基准输出端接一个适当容量的低ESR ( 等效串联 电阻特性的电容器, 将有助于改善负载调整率。三、电压基准的类型1. 按工作原理划分(1.并联基准 (Sliunt Reference如图 1所示，并联基准工作时与负载是并联的关系，基准电压V REF =V IN -I F xR=VIN -(I Q +1L xR ，当输入电压

7、V IN 或负载电流 IL 发生产化时 , 这类基准通过 调节 IQ 来保 持 V REF 的稳定。并联基准只有 2 个引脚，价格较便宜，较适用于负载 电流变化不大的场 合。缺点是功耗相对较大， 输入电压调整率不太理想。 常见的并 联基准型号有 LM358 、AD589 等。图 1 并联基准(2.串联基准 (Senes Refeience如图 2所示，串联基准工作时与负载是串联的关系，基准电压V REF =V IN -I FxRS=VIN-(IQ+ILxRS, 由于 IQ 很小且基本保持恒定，故当 V IN 或 IL 发生变 化时，串联基 准通过调节内部的 RS阻值来保持V REF的稳定。串联

8、基准有 3个引 脚，输入输出压差和 I Q可做的较小,故更适用于电池供电场合。常见的串联基准型号有AD581、REF192等。VREFRs 并联基准 RLIQIL图 2 串联基准2. 按技术工艺划分(1 ?齐纳基准 (Zenei Reference齐纳基准的优点是成本低封装小，工作电压范围宽。缺点是功耗大，初始精度低 , 温度 系数差，输入电压调整率不好 , 使用时需根据供电电压和负载电流串接一个电阻为其提供恒定电流，以便保持输出电压稳定。 齐纳基准通常用于要求不高的场合， 或 用作电压钳位器。(2.掩埋齐纳基准 (Biuied Zener Refeience掩埋齐纳基准具有很高的初始精度，好

9、的温度系数和长期漂移稳定性，噪声电压 低， 总体性能优于其它类型的基准，故常用于 12 位或更高分辨率的系统中。掩埋齐纳 基准通常 要求至少 5V 以上的供电电压，并要消耗几百微安的电流，价格较昂贵。(3.带隙基准 (Bandgap Refeience带隙基准的初始精度、温度系数、长期漂移、噪声电压等性能指标从低到高覆 盖面较 宽，较适用于 8? 10 位精度的系统中。该类基准既有为通常目的设计的类型，也 有静态电 流小至几十微安， 输入输出电压差较低而适用于电池供电场合的产品， 因而 应用范围很宽。 综合来看，带隙基准性能良好，价格适中 , 是性价比最高的电压基准。(4. XFET 基准XF

10、ET 是一种新型的电压基准、它的性能水平界于带隙和齐纳基准之间。静态电 流很低， 可用于 3V 电压系统 ,并且仍能保持良好的性能。 XFET 基准有 3项显著的特 点其一是在 相同的工作电流条件下，它的峰 -峰值噪声电压通常比带隙基准低数倍； 其二是 XFET 基准 在工业级温度范围内具有十分平坦或线性的温度系数曲线，而带 隙和齐纳基准的温度系数 曲线在温度范围两端常是非线性的 , 这种非线性不便于通 过软件来加以修正 ; 其三是 XFET 基准具有极好的长期漂移稳定性。(5.4种基准性能比较表一以 ADI 公司的电压基准产品为例 ,对掩埋齐纳、带隙和 XFET 三种类型基 准的主要性能作一

11、比较 , 由于生产电压基准产品的公司很多，每一类产品自身的性能 从高到低差别 很大，故表一主要从总体上比较三种基准的性能特点，以便在选用时有 个参考。VREFRLILIQRSIF串联基准表一掩埋齐纳、带隙和 XFET 基准主要性能比较掩埋齐纳基准带隙基准 XFET基准工作电压 5V可低至3V可低至2.7V静态电流3? 10mA 0.45? 2mA 5? 20pA初始精度0.01%? 0.5% 0.04%? 1.0% 0.06%? 0.3% 温度系数 1 ? 20ppm/C 3? 100ppm/C8? 25ppm/C 噪声电压（0.1? 10Hz4? 10pV 4? 50pV 6? 10|TV

12、长期漂移 15? 75p7Kh 4? 2507Kh 0.2? lpV/Kh适用场合 12 位或以上较高精度的系统。 8? 10 位精度，或低压、低功耗，要求一 般的 系统。低压、低功耗且较高精度的系统。四、电压基准的选用ADI 、NS、Maxim 、 Linear . TI 等都是国际上著名的模拟产品供应商 ,它们可 提供各 种类型的基准产品。根据前面的讨论 , 引起电压基准输出电压背离标称值的主要因素是 初始精度、 温度系 数、噪声，以及长期漂移等。因此，在选择一个电压基准时、需根据系统要求的 分辨率精 度、供电电压、工作温度范围等情况综合考虑，不能简单地以单个参数（如 初始精度为选 择条件

13、。举例来说，一个 12位数据采集系统，要求分辨到 1LSB （相当 于 l/212=244ppm, 如果工作温度范围在10C,那么一个初始精度为0.01% （相当于lOOppm,温度系数为 lOppn/C （温度范围内偏移lOOppm的基准已能满足系统的精 度要求，因为基准引起的总 误差为200ppm 但如果工作温度范围扩大到 15C以上，该 基准就不再适用了。对于初始精度，主要是根据系统的精度要求进行选择。对于数据采集系统，如果采用n位的ADC，那么其满刻度分辨率为l/2n，若要求达到1LSB的精度，则所配电 压基准的初 始精度可由下式确定：%1021102126x=xnnppm初始精度考虑

14、到其它误差的影响，实际的初始精度还要选得比上式更高一些,比如按 1/2LSB 的分辨率精度来计算，即上式所得结果再除以 2。温度系数是电压基准另一个重要的参数， 它的确定除了与系统要求的精度有关 外, 还与 系统的工作温度范围有直接的关系。对于数据采集系统，假设所用ADC的位数是n，要求达到1LSB的精度，工作温度范围是 AT，那么基准的温度系数 TC可 由下式确定:TCnAx2106同样地，考虑到其它 i 吴差的影响 ,实际的 TC 值还要选得比上式更小一些。温度 范围 AT通常可以25 C为基准来计算，以工业温度范围-40 C-+85 为例,AT可取60 C(85 -25 ,因为生产厂商通

15、常在 25C附近将基准因温度变化引起的误差调到最小。图 3 是一个十分有用的速查工具， 它以 25C 为变化基准 , 温度在 1C? 100C 变化 时 ,8 ? 20位ADC在1LSB分辨精度的要求下,将所需基准的TC值绘制成图,由该图 表可迅速查 得所需的 TC 值。图3系统精度与基准温度系数 TC的关系大多数电压基准的噪声电压相对其它误差而言绝对值较小，故对于精度不高的系统其影响并不突出，但对于高精度系统，需引起高度重视。对于宽带噪声，通过在输出端增加一个低ESR (等效串联电阻电容或一个 RC滤波器就可有效加以抑制，但要 注意所加电容 的容量要按数据手册推荐的值选取，如果选得太大，可能

16、引起振荡而破 坏输出电压的稳定 性，另一个后果是会使导通建立时间变长。至于0.1? 10Hz范围内 的窄带1/5噪声，是基准中固有的且不能有效滤掉，故要仔细评估选择。某些系统需长期工作，同时要求具有保持重复测量的一致性和稳定性，这时、基准的长期漂移性能指标就显得很重要。 XFET 基准具有十分优良的长期漂移特性，故是 最佳选 择。对于便携式系统， 都要求低电压、 低功耗， 以便延长电池的使用时间。 对于这类 系统， 选用 XFET 基准是十分理想的 , 它们不仅能在低电压小电流下工作， 同时还能保 持很好的性 能。ADI公司的某些带隙基准如 REF19X和AD158X系列也具备低电 压、小静态电流的特 性, 因而也可用于便携式系统。但这些带隙基准的长期漂移、 噪声以及温度系数指标不如XFET 基准。参考文献：Roya Nasratv XFET TM ReferencesAnalog Dialogue 1998 Analog D