計(jì)算電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)(tempco)和初始精度
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任何典型的ADC應(yīng)用中均會(huì)指定模擬電壓范圍，由ADC進(jìn)行數(shù)字化。為滿足標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓范圍的要求，這些模擬信號(hào)通常必須經(jīng)過(guò)抗混疊濾波、緩沖，可能的話還要將幅度調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)姆秶?duì)于典型的ADC輸入滿量程值中，2.048V和4.096V是數(shù)字系統(tǒng)中非常有用的電壓基準(zhǔn)，因?yàn)槊课粚?duì)應(yīng)于整數(shù)的毫伏電壓。例如，具有4.096V滿量程輸入的12位ADC，每位對(duì)應(yīng)的值為4.096 / (212 = 4096) = 1mV；同一系統(tǒng)中8位ADC的每位“間隔”電壓為4.096 / (28 = 256) = 16mV/位。
假設(shè)數(shù)字系統(tǒng)要求充分利用ADC的分辨率—輸出正確，輸入有1 LSB的變化時(shí)即可產(chǎn)生響應(yīng)。因此，我們規(guī)定總的轉(zhuǎn)換誤差為0.5 LSB。為簡(jiǎn)化討論，假設(shè)ADC是一個(gè)理想器件，誤差僅由基準(zhǔn)產(chǎn)生。這樣，最差工作條件下，允許VREF產(chǎn)生的誤差為0.5 LSB (8位ADC對(duì)應(yīng)于8mV)。
初始精度
為鎖定臨界條件，我們分別考慮各個(gè)變量，并臨時(shí)假設(shè)電壓基準(zhǔn)VREF的溫度系數(shù)為零，所有誤差均來(lái)自初始精度。注意：4.096V基準(zhǔn)輸出的0.5 LSB (8位ADC對(duì)應(yīng)8mV)誤差對(duì)應(yīng)于0.195%，因此對(duì)于溫度系數(shù)為零的基準(zhǔn)，精度在任意溫度下允許的誤差為0.195%。溫度系數(shù)
再來(lái)考慮另一個(gè)臨界條件，假設(shè)電壓基準(zhǔn)VREF在+25°C下的初始誤差為零(大多數(shù)電壓基準(zhǔn)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn))。因此，所有誤差均由基準(zhǔn)的溫度系數(shù)產(chǎn)生，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)4.096V基準(zhǔn)的誤差不得超過(guò)0.5 LSB。也就是說(shuō)，對(duì)于一個(gè)8位ADC，其VREF的溫度系數(shù)在遠(yuǎn)離+25°C的極端溫度(過(guò)熱或過(guò)冷)下，造成的誤差必須低于8mV。實(shí)際的VREF同時(shí)存在初始精度和溫度系數(shù)誤差，因此，我們采取以下措施：
- 確定VREF的工作溫度范圍。
- 注意遠(yuǎn)離+25°C的溫度區(qū)域。
- 所有計(jì)算均基于極限溫度。
- 確定輸出基準(zhǔn)電壓(VREF)。
- 將0.5 LSB轉(zhuǎn)換成滿量程的百分比，零溫度系數(shù)時(shí)為電壓基準(zhǔn)的總精度。例如，對(duì)于誤差為8mV的4.096V基準(zhǔn)，誤差為滿量程的0.195%。
- 計(jì)算最差工作條件下所允許的溫度系數(shù)，單位為ppm/°C；此時(shí)假定理想情況下，+25°C時(shí)的初始誤差為零。
- 利用下文介紹的方法進(jìn)行適當(dāng)計(jì)算。
圖1對(duì)用圖形方式上述情況進(jìn)行了說(shuō)明，符合上述要求的電壓基準(zhǔn)位于右上角最差條件下得到的曲線中的任意一條。
圖1. 該圖說(shuō)明溫度每偏離室溫1度，允許基準(zhǔn)電壓變化1 LSB
對(duì)于給定的VREF，不同溫度下對(duì)應(yīng)的最差工作特性可由通過(guò)+80°C、8mV (對(duì)應(yīng)4.096V)點(diǎn)的直線表示。利用線性方程(y = mx+b)求解，對(duì)應(yīng)的變量定義如下：
y = 誤差(%)
m = 溫度系數(shù)(%/°C)
x = 與+25°C的溫度偏差
b = +25°C下的初始精度
注意，這些公式中溫度系數(shù)的單位為%/°C。這種格式下溫度系數(shù)的單位與誤差(e)單位一致，用%表示。溫度系數(shù)通常非常小，采用百萬(wàn)分比(ppm)表示更容易。測(cè)量單位“ppm”比百分比單位“%”小10,000倍，其中“%”表示“百分比”—100與1,000,000之比為1/10,000。為方便起見，重新給變量命名為：
y換成e
m換成TC
x換成ΔT
b換成A
因此，
e = TC(ΔT) + A
求解初始精度(A)時(shí)以下方程更加有用：
A = e - TC(ΔT)
同理可得溫度系數(shù)(TC)的求解方程：
TC = (e - A) / ΔT
對(duì)于例子中的VREF，定義在不同A、TC組合下的直線必須通過(guò)最大誤差點(diǎn)(55°C、 0.195%)：
0.195 = TC(55) + A
| 解A得： | 解TC得： |
| A = 0.195 - 55TC | TC = (0.195 - A) / 55 |
現(xiàn)在可以加上溫度系數(shù)估算VREF的誤差(表示為%/°C)，計(jì)算其精度。另外，還可以選擇其他特定精度，并使用第二個(gè)公式計(jì)算所允許的最大溫度系數(shù)。
舉例來(lái)說(shuō)，MAX6043BAUT41基準(zhǔn)的初始精度為0.1% ，該精度約為0.195%的一半。 其溫度系數(shù)為
TC = (0.195 - A) / 55
= (0.195 - 0.1) / 55
= 0.00173%/°C
= 17.3ppm/°C
因此，芯片25ppm的溫度系數(shù)是不能接受的，因?yàn)橛?jì)算結(jié)果表明需要17.3ppm或更好的溫度系數(shù)。幸運(yùn)的是，A版器件(MAX6043AAUT41)的溫度系數(shù)僅為15ppm/°C，并且其初始精度也更高(0.06%)。Maxim提供多種電壓基準(zhǔn)：初始精度從2%至0.02%、溫度系數(shù)從150ppm至1ppm。
評(píng)論