電壓基準芯片的參數解析及應用技巧

電壓基準芯片是一類(lèi)高性能模擬芯片，常用在各種數據采集系統中，實(shí)現高精度數據采集。幾乎所有電壓基準芯片都在為實(shí)現“高精度”而努力,但要在各種不同應用場(chǎng)合真正實(shí)現高精度，則需要了解電壓基準的內部結構以及各項參數的涵義，并要掌握一些必要的應用技巧。

電壓基準芯片的分類(lèi)

根據內部基準電壓產(chǎn)生結構不同，電壓基準分為：帶隙電壓基準和穩壓管電壓基準兩類(lèi)。帶隙電壓基準結構是將一個(gè)正向偏置PN結和一個(gè)與VT（熱電勢）相關(guān)的電壓串聯(lián)，利用PN結的負溫度系數與VT的正溫度系數相抵消實(shí)現溫度補償。穩壓管電壓基準結構是將一個(gè)次表面擊穿的穩壓管和一個(gè)PN結串聯(lián)，利用穩壓管的正溫度系數和PN結的負溫度系數相抵消實(shí)現溫度補償。次表面擊穿有利于降低噪聲。穩壓管電壓基準的基準電壓較高(約7V)；而帶隙電壓基準的基準電壓比較低，因此后者在要求低供電電壓的情況下應用更為廣泛。

根據外部應用結構不同，電壓基準分為：串聯(lián)型和并聯(lián)型兩類(lèi)。應用時(shí)，串聯(lián)型電壓基準與三端穩壓電源類(lèi)似，基準電壓與負載串聯(lián)；并聯(lián)型電壓基準與穩壓管類(lèi)似，基準電壓與負載并聯(lián)。帶隙電壓基準和穩壓管電壓基準都可以應用到這兩種結構中。串聯(lián)型電壓基準的優(yōu)點(diǎn)在于,只要求輸入電源提供芯片的靜態(tài)電流，并在負載存在時(shí)提供負載電流；并聯(lián)型電壓基準則要求所設置的偏置電流大于芯片的靜態(tài)電流與最大負載電流的總和，不適合低功耗應用。并聯(lián)型電壓基準的優(yōu)點(diǎn)在于，采用電流偏置，能夠滿(mǎn)足很寬的輸入電壓范圍，而且適合做懸浮式的電壓基準。

電壓基準芯片參數解析

安肯（北京）微電子即將推出的ICN25XX系列電壓基準，是一系列高精度，低功耗的串聯(lián)型電壓基準，采用小尺寸的SOT23-3封裝，提供1.25V、2.048V、2.5V、3.0V、3.3V、4.096V輸出電壓,并提供良好的溫度漂移特性和噪聲特性。

圖1. 串聯(lián)型電壓基準芯片和并聯(lián)型電壓基準芯片示意圖

表1列出了電壓基準芯片與精度相關(guān)的各項參數。首先要考慮輸出電壓的初始精度。不同型號的電壓基準芯片，初始精度可能從0.02%變化到1%。這就意味著(zhù)它們能夠達到不同的系統精度，0.02%能夠適應12位的系統精度，1%只能夠適應6位的系統精度。對于不能自行校準的系統，需要根據精度要求選擇初始精度合適的芯片。多數系統設計者可以通過(guò)軟件或硬件校準調整初始精度誤差，因此初始精度并不是限制電壓基準芯片應用的主要因素。

表1.電壓基準芯片的主要參數。

輸出電壓的溫度漂移系數是衡量電壓基準芯片性能的一個(gè)重要參數。它代表一個(gè)平均量，可以通過(guò)這個(gè)參數估算芯片輸出電壓在整個(gè)工作溫度范圍內的變化范圍，這個(gè)參數不代表某一特定溫度點(diǎn)的輸出電壓隨溫度變化的斜率。由溫度漂移導致的精度誤差很難通過(guò)系統校準的方法來(lái)減小。

ICN25XX系列電壓基準芯片采用專(zhuān)利的補償電路和修調電路實(shí)現了良好的溫度漂移特性：在-40?C到125?C溫度范圍內，溫度漂移系數小于10ppm/?C。圖2為測試得到的典型溫度漂移曲線(xiàn)。

圖2. ICN2520 典型溫度漂移曲線(xiàn)

電壓基準芯片的輸出電壓會(huì )隨著(zhù)使用時(shí)間增加而變化，通常是朝一個(gè)方向按指數特性變化，使用時(shí)間越長(cháng)，變化越小，因此以公式1為單位表示電壓基準芯片的長(cháng)期穩定性，以反映輸出電壓變化量隨使用時(shí)間指數衰減。長(cháng)期穩定性是在幾個(gè)月甚至幾年的使用過(guò)程中體現出來(lái)的，很難通過(guò)出廠(chǎng)時(shí)的測試來(lái)保證。有些芯片會(huì )在出廠(chǎng)前經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的老化測試以保證較好的長(cháng)期穩定性。定期對系統進(jìn)行校準，可以避免長(cháng)期穩定性帶來(lái)的誤差。對于無(wú)法定期校準的系統，就要選用具有良好的長(cháng)期穩定性的電壓基準芯片。采用金屬殼封裝的芯片，由于排除了封裝應力的影響，因而一般具有更好的長(cháng)期穩定性。

噪聲是衡量電壓基準芯片的性能的另一個(gè)重要參數。通常在0.1Hz到10Hz和10Hz到10kHz兩個(gè)頻率范圍內給出噪聲參數，以便設計者估算電壓基準在所關(guān)注的頻率范圍內的噪聲。輸出噪聲通常與輸出電壓成比例，以ppm為單位。0.1Hz到10Hz的噪聲主要是閃爍噪聲，或稱(chēng)為公式2噪聲，其噪聲幅度與頻率成反比，一般會(huì )給出這一頻率范圍內噪聲的峰峰值（P-P）。不同半導體器件的閃爍噪聲特性差別很大，例如MOSFET的閃爍噪聲比較大，而雙極型晶體管的閃爍噪聲則要小得多，次表面擊穿的穩壓管閃爍噪聲也很小，因此采用不同工藝設計的電壓基準芯片，低頻噪聲特性差別會(huì )比較大。

圖3. ICN2520電壓基準芯片的噪聲特性曲線(xiàn)

10Hz到10kHz頻率范圍以及高于這個(gè)頻率范圍的噪聲主要是熱噪聲，在有效帶寬內頻率特性基本上是平坦的，通過(guò)給出的噪聲有效值（rms）可以很容易估算出某一頻率范圍內的熱噪聲。增大電流可以有效降低噪聲，因此優(yōu)良的噪聲特性往往是以犧牲功耗為代價(jià)的。用戶(hù)可以在電壓基準輸出端添加濾波電容或其他濾波電路限制噪聲帶寬，以改善噪聲特性，從而達到設計要求。

ICN25XX系列電壓基準芯片采用特殊的內部結構，達到了CMOS工藝通常很難實(shí)現的低噪聲水平：0.1Hz到10Hz為13ppm（P-P）；10Hz到10kHz為32ppm（rms）；而且還保持了CMOS工藝的功耗優(yōu)勢，靜態(tài)電流僅為75A。

某些應用對電壓基準芯片的瞬態(tài)特性會(huì )有要求。瞬態(tài)特性包括三個(gè)方面：上電建立時(shí)間、小信號輸出阻抗（高頻）、大信號恢復時(shí)間（動(dòng)態(tài)負載）。不同廠(chǎng)商推出的電壓基準芯片的瞬態(tài)特性可能區別很大，良好的瞬態(tài)特性往往也是以犧牲功耗為代價(jià)的。ICN25XX系列電壓基準內部集成緩沖放大器，采用特殊結構，能夠提供良好的瞬態(tài)特性、線(xiàn)性調整率及負載調整率，并能夠保證很大輸出濾波電容范圍內的穩定性。