電壓基準(zhǔn)芯片的性能分析及應(yīng)用介紹

電壓基準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集。幾乎所有電壓基準(zhǔn)芯片都在為實(shí)現(xiàn)“高精度”而努力,但要在各種不同應(yīng)用場合真正實(shí)現(xiàn)高精度，則需要了解電壓基準(zhǔn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及各項(xiàng)參數(shù)的涵義，并要掌握一些必要的應(yīng)用技巧。

　電壓基準(zhǔn)芯片的分類

　　根據(jù)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不同，電壓基準(zhǔn)分為：帶隙電壓基準(zhǔn)和穩(wěn)壓管電壓基準(zhǔn)兩類。帶隙電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是將一個(gè)正向偏置PN結(jié)和一個(gè)與VT（熱電勢）相關(guān)的電壓串聯(lián)，利用PN結(jié)的負(fù)溫度系數(shù)與VT的正溫度系數(shù)相抵消實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。穩(wěn)壓管電壓基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是將一個(gè)次表面擊穿的穩(wěn)壓管和一個(gè)PN結(jié)串聯(lián)，利用穩(wěn)壓管的正溫度系數(shù)和PN結(jié)的負(fù)溫度系數(shù)相抵消實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。次表面擊穿有利于降低噪聲。穩(wěn)壓管電壓基準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓較高(約7V)；而帶隙電壓基準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓比較低，因此后者在要求低供電電壓的情況下應(yīng)用更為廣泛。

　　根據(jù)外部應(yīng)用結(jié)構(gòu)不同，電壓基準(zhǔn)分為：串聯(lián)型和并聯(lián)型兩類。應(yīng)用時(shí)，串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)與三端穩(wěn)壓電源類似，基準(zhǔn)電壓與負(fù)載串聯(lián)；并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)與穩(wěn)壓管類似，基準(zhǔn)電壓與負(fù)載并聯(lián)。帶隙電壓基準(zhǔn)和穩(wěn)壓管電壓基準(zhǔn)都可以應(yīng)用到這兩種結(jié)構(gòu)中。串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)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(fù)載存在時(shí)提供負(fù)載電流；并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)則要求所設(shè)置的偏置電流大于芯片的靜態(tài)電流與最大負(fù)載電流的總和，不適合低功耗應(yīng)用。并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)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(zhǔn)。

　　電壓基準(zhǔn)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(zhǔn)，是一系列高精度，低功耗的串聯(lián)型電壓基準(zhǔn)，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(zhǔn)芯片和并聯(lián)型電壓基準(zhǔn)芯片示意圖

　　表1列出了電壓基準(zhǔn)芯片與精度相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)。首先要考慮輸出電壓的初始精度。不同型號(hào)的電壓基準(zhǔn)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(dá)到不同的系統(tǒng)精度，0.02%能夠適應(yīng)12位的系統(tǒng)精度，1%只能夠適應(yīng)6位的系統(tǒng)精度。對于不能自行校準(zhǔn)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(shè)計(jì)者可以通過軟件或硬件校準(zhǔn)調(diào)整初始精度誤差，因此初始精度并不是限制電壓基準(zhǔn)芯片應(yīng)用的主要因素。

　　表1.電壓基準(zhǔn)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(zhǔn)芯片性能的一個(gè)重要參數(shù)。它代表一個(gè)平均量，可以通過這個(gè)參數(shù)估算芯片輸出電壓在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的變化范圍，這個(gè)參數(shù)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(dǎo)致的精度誤差很難通過系統(tǒng)校準(zhǔn)的方法來減小。

　　ICN25XX系列電壓基準(zhǔn)芯片采用專利的補(bǔ)償電路和修調(diào)電路實(shí)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(zhǔn)芯片的輸出電壓會(huì)隨著使用時(shí)間增加而變化，通常是朝一個(gè)方向按指數(shù)特性變化，使用時(shí)間越長，變化越小，因此以公式1為單位表示電壓基準(zhǔn)芯片的長期穩(wěn)定性，以反映輸出電壓變化量隨使用時(shí)間指數(shù)衰減。長期穩(wěn)定性是在幾個(gè)月甚至幾年的使用過程中體現(xiàn)出來的，很難通過出廠時(shí)的測試來保證。有些芯片會(huì)在出廠前經(jīng)過一段時(shí)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(jìn)行校準(zhǔn)，可以避免長期穩(wěn)定性帶來的誤差。對于無法定期校準(zhǔn)的系統(tǒng)，就要選用具有良好的長期穩(wěn)定性的電壓基準(zhǔn)芯片。采用金屬殼封裝的芯片，由于排除了封裝應(yīng)力的影響，因而一般具有更好的長期穩(wěn)定性。