电压基准的特性及选用

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电压基准的特性及选用

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

一、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

1. 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：

2.5±2.5×1%=2.5±0.025=2.475V～2.525V

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，初始精度是一个最为重要的性能指标之一。

2. 温度系数（Temperature 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/℃表示（ppm是英文part per million的缩写，1ppm表示百万分之一）。例如，一个基准标称电压为10V，温度系数为10ppm/℃，则环境温度每变化1℃，其输出电压改变10V×10×10-6=100μV。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手册中的温度曲线图表。

3. 热迟滞(Temperature 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25℃的情况仍是需引起重视的一个误差源。

4. 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ppm/1000h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。

5. 噪声（Noise）

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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. 导通建立时间（Turn-on 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，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。

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，并不包括负载瞬变产生的影响。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（Shunt 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VREF=VIN-IF×R=VIN-(IQ+IL)×R，当输入电压VIN或负载电流IL发生产化时，这类基准通过调节IQ来保持VREF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。

RsVREF并联基准RLILIQ

图1 并联基准

(2). 串联基准（Series Reference）

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VREF=VIN-IF×RS=VIN-(IQ+IL)×RS，由于IQ很小且基本保持恒定，故当VIN或IL发生变化时，串联基准通过调节内部的RS阻值来保持VREF的稳定。串联基准有3个引脚，输入输出压差和IQ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。

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IFVREFRS串联基准RLIQIL

图2 串联基准

2. 按技术工艺划分

(1). 齐纳基准(Zener 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（Buried Zener Reference）

掩埋齐纳基准具有很高的初始精度，好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 Reference）

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

XFET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，以便在选用时有一个参考。

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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 可低至3V 可低至2.7V

> 5V

静态电流 3～10mA 0.45～2mA 5～20μA

初始精度 0.01%～0.5% 0.04%～1.0% 0.06%～0.3%

温度系数 1～20ppm/℃ 3～100ppm/℃ 8～25ppm/℃

噪声电压(0.1～4～10μV 4～50μV 6～10μV

10Hz)

长期漂移 15～75μV/Kh 4～250μV/Kh 0.2～1μV/Kh

8～10位精度，或低12位或以上较高精低压、低功耗且较高适用场合

压、低功耗，要求一度的系统。 精度的系统。

般的系统。

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。举例来说，一个12位数据采集系统，要求分辨到1LSB（相当于1/212=244ppm），如果工作温度范围在10℃，那么一个初始精度为0.01%（相当于100ppm），温度系数为10ppm/℃（温度范围内偏移100ppm）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15℃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1/2n，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：

初始精度≤1162×ppm=×10%

102n2n考虑到其它误差的影响，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ΔT，那么基准的温度系数TC可由下式确定：

106

TC≤n

2×∆T同样地，考虑到其它误差的影响，实际的TC值还要选得比上式更小一些。温度范围ΔT通常可以25℃为基准来计算，以工业温度范围-40℃～+85℃为例，ΔT可取60℃（85℃-25℃），因为生产厂商通常在25℃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25℃为变化基准，温度在1℃～100℃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。

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TC(ppm/℃)

△T(基于25℃的变化)

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：

1. Roya Nasraty XFETTM

References

Analog Dialogue 1998 Analog Devices,Inc.

2. Perry Miller Texas Instruments, Doug Moore Thater Corp.

Precision voltage references

3. Roger kenyon A quik guide to voltage reference

Maxim Integrated Products

4. Analog Devices Inc, AD780 2.5V/3.0V High Precision Reference Datasheet

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