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以高性能電壓基準為信號鏈設定高標準的“規矩”

2021年10月08日 12:05 次閲讀

古人言“沒有規矩不成方圓”,此“規矩”是古人畫圓形和方形的兩種工具,比喻一定的標準、法則。而在電路的虛擬世界,這種“規矩”也很重要,是實現模擬與數字世界的基礎——數字世界所有電子設備都必須以某種方式與真實世界交互,電子設備必須能夠將真實世界映射到電子世界中的可測的量(電壓)。要測量電壓,你也需要一個“規矩”——衡量標準,該標準就是基準電壓,電壓基準源的作用即是將數據採集與真實世界進行關聯。電壓基準源是一個可產生穩定、精確直流電壓的器件,一般用於ADCDAC和其他模擬電路精確的參考電壓設定。

現代數據採集和信號發生系統既複雜又精細。幾十年的 IC 和應用開發以及一代又一代設計已經優化了性能和眾多優點,同時使性能不斷提高、優點不斷增多。新的設計必須憑藉精心挑選的性能、尺寸、電源範圍、穩定性以及更多優點,實現與之前設計的差異化。同時,DAC、ADC、電壓基準等高性能集成電路的性能已經被推進到了極限。關於電壓基準,常常必須在精確度和眾多優點之間做出設計選擇。當需要最高性能時,就有可能缺乏靈活性和兼容性。

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電壓基準源的作用:將數據採集與真實世界進行關聯

毫無疑問,“規矩”是標準性決定了要求穩定、準確。長期以來,在所有可用的電壓基準類型中,帶隙電壓基準因其特點與性能的組合,一直是最佳的選擇。過去,精確度最高和最穩定的系統一直是用齊納基準設計的,齊納基準的低漂移、高穩定性和低噪聲使系統能夠既提供很大的動態範圍,又具備良好的穩定性。

然而,與掩埋式齊納基準相比,它們並未始終提供最佳的性能。或者,帶隙架構使得設計具備眾多有用特點的基準成為可能,包括低壓差、寬温度範圍、低功率、小尺寸、寬工作範圍和寬負載電流能力。因此,齊納基準一般不適合大多數新系統。齊納基準需要很高的電源電壓才能運行,而且很多采用齊納基準的設計都僅針對特定系統而優化,例如電源電壓高於 10V、可用電路板面積很大以及負載阻抗已經完全瞭解的系統。對很多新設計而言,這些假定很少適用。此外,採用齊納架構的基準一直以來幾乎沒有什麼新發展,因此,齊納基準極少提供更常用且低於 5V (例如 4.096V、2.5V 和 1.25V) 的基準電壓。

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基於LT1236的深埋齊納基準設計

要獲得綜合的優點和性能,帶隙電壓基準一直是最佳選擇。與齊納架構相比,帶隙架構儘管犧牲了一些穩定性,卻有可能用來設計出具備很多優點的基準,包括低壓差、寬温度範圍、低功率、小尺寸、寬工作範圍和寬負載電流範圍等優點。由於這些優點,已經產生了大量高性能 LDO 穩壓器和精確的電壓基準。相對低的、約為 1.2V 的帶隙電壓為設計提供各種電壓的產品帶來了方便,包括 1.25V、2.048V、2.5V、3V、3.3V、4.096V、5V 和 10V。另外,這樣的帶隙電壓還允許用僅比輸出電壓高几毫伏的電源運行,如下圖所示

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基於串聯電壓基準LT6656的低功率、低壓差電壓基準電路

就電壓基準而言,最大的誤差通常是由温度係數 (TC) 引起的。對很多精確的系統而言,具 20ppm/ºC 温度係數的電壓基準就是合適的。然而,在工業温度範圍內 (-40ºC 至 85ºC),這樣的温度係數會導致 2500ppm 或 0.25% 的最大誤差。下圖示出了温度特性,曲線圖示出了一個 1ppm/°C 的方框。在寬温度範圍內,例如高精確度帶隙電壓基準LT6657 的輸出電壓完全處於該方框之內,這容許在自動化生產中測試 1.5ppm/°C 規格指標。LT6657 在 -40°C 至 125°C 的温度範圍內規定了低漂移,在整個温度範圍內提供了 《250ppm 的最大保證誤差。

高階温度補償在整個温度範圍內保持了低且可預知的輸出電壓誤差,而最先進的製造工藝則在器件之間和批次之間提供了一致的性能。為了確保裝運的每個 LT6657 都滿足這種高性能水平,LT6657 的温度係數由 100% 的五温度測試提供保證。

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LT6657輸出電壓温度曲線

可以做個比較,LTC6655 一直是市面上性能最高的帶隙電壓基準之一。其在 -40°C 至 125°C 的範圍內 2ppm/°C 的漂移指標優於幾乎任何其他電壓基準產品。和 LT6657 一樣,該性能指標難以在試驗枱上測試,而且要在製造過程中予以保證,是難以置信挑的戰性。

許多相似的產品可能通過特性分析或樣片測試來保證穩定性,而 LTC6655 則利用 100% 的三温度測試提供保證。製造過程中的這種謹慎度顯示了生產真正的高穩定性產品所必須保持的質量水準。與 LTC6655 相比,LT6657 更加穩定,1.5ppm/°C 漂移,而且該性能是利用 100% 的五温度測試給予保證的。

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高性能應用的遠程檢測電路中LT6657的穩定性和低噪聲、低漂移受青睞

物理測量所用的電子設備常常遠離被測物理參數。例如,埋在卡車稱重站路面下方或橋樑結構內的應變計測量,不太可能位於讀取測量結果的電子設備旁邊,傳感器放在遠離檢測放大器的地方,要產生令人滿意的測量結果,對信號鏈設計提出了極大的挑戰,其中就包括對基準源性能的要求——穩定性和低噪聲、低漂移受青睞。如上圖,儀表放大器LT6370放大正輸入端上的非常小的傳感器電壓,而負輸入端上是固定的低噪聲基準電壓,自基準電壓源 LT6657 產生。LT6657產生穩定、低噪聲、低漂移的基準電壓,使整個電路不受電源電壓變化的影響。特別重要的是,LT6657的 1/f 噪聲很低,這點意義重大,因為電路的增益很大。

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電壓基準源的基本特性:精度和穩定性

除了實驗室儀表之外,LT6657還為汽車和擴展温度工業應用提供了新的精準水平。在整體穩定性上增加的是低的熱遲滯和卓越的長期穩定性,這些是衡量系統隨着時間推移和温度循環將在規格限定的範圍內保持何等水平。測試驗證表明,隨着時間推移和温度循環所產生的漂移是很低而且一致。當這些特性表現良好時,可比較容易地在產品使用期限內預測漂移。

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