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電壓基準芯片的參數解析及應用技巧

作者: 時(shí)間:2011-03-20 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

電壓基準芯片是一類(lèi)高性能,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,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。



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