電壓基準芯片的性能分析及應用介紹

電壓基準芯片是一類高性能模擬芯片，常用在各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集。幾乎所有電壓基準芯片都在為實現(xiàn)“高精度”而努力,但要在各種不同應用場合真正實現(xiàn)高精度，則需要了解電壓基準的內(nèi)部結構以及各項參數(shù)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

　　根據(jù)內(nèi)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(wěn)壓管電壓基準兩類。帶隙電壓基準結構是將一個正向偏置PN結和一個與VT（熱電勢）相關的電壓串聯(lián)，利用PN結的負溫度系數(shù)與VT的正溫度系數(shù)相抵消實現(xiàn)溫度補償。穩(wěn)壓管電壓基準結構是將一個次表面擊穿的穩(wěn)壓管和一個PN結串聯(lián)，利用穩(wěn)壓管的正溫度系數(shù)和PN結的負溫度系數(shù)相抵消實現(xiàn)溫度補償。次表面擊穿有利于降低噪聲。穩(wěn)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(jù)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。應用時，串聯(lián)型電壓基準與三端穩(wěn)壓電源類似，基準電壓與負載串聯(lián)；并聯(lián)型電壓基準與穩(wěn)壓管類似，基準電壓與負載并聯(lián)。帶隙電壓基準和穩(wěn)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)點在于，采用電流偏置，能夠滿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(shù)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的各項參數(shù)。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%。這就意味著它們能夠達到不同的系統(tǒng)精度，0.02%能夠適應12位的系統(tǒng)精度，1%只能夠適應6位的系統(tǒng)精度。對于不能自行校準的系統(tǒng)，需要根據(jù)精度要求選擇初始精度合適的芯片。多數(shù)系統(tǒng)設計者可以通過軟件或硬件校準調(diào)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(shù)。

　　輸出電壓的溫度漂移系數(shù)是衡量電壓基準芯片性能的一個重要參數(shù)。它代表一個平均量，可以通過這個參數(shù)估算芯片輸出電壓在整個工作溫度范圍內(nèi)的變化范圍，這個參數(shù)不代表某一特定溫度點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系統(tǒng)校準的方法來減小。

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

　　圖2. ICN2520 典型溫度漂移曲線

　　電壓基準芯片的輸出電壓會隨著使用時間增加而變化，通常是朝一個方向按指數(shù)特性變化，使用時間越長，變化越小，因此以公式1為單位表示電壓基準芯片的長期穩(wěn)定性，以反映輸出電壓變化量隨使用時間指數(shù)衰減。長期穩(wěn)定性是在幾個月甚至幾年的使用過程中體現(xiàn)出來的，很難通過出廠時的測試來保證。有些芯片會在出廠前經(jīng)過一段時間的老化測試以保證較好的長期穩(wěn)定性。定期對系統(tǒng)進行校準，可以避免長期穩(wěn)定性帶來的誤差。對于無法定期校準的系統(tǒng)，就要選用具有良好的長期穩(wěn)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期穩(wěn)定性。