如何使用基准电压源以确保准确稳定的数据转换

为了充分利用物联网 (IoT)，人们希望更快、更有效地连接模拟和数字世界。在这股热潮中，人们极易忽略基准电压源所发挥的关键作用，然而此举甚不明智。基准电压是模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC)“判断”模拟输入值和输出值的主要标准，有助于确保信号和数据转换的精度，但前提是基准电压源选择适当且应用得当。

本文简要说明基准电压源的结构和特性，并介绍基准电压源的选型。本文以 Analog Devices 的 ADR43x 系列为实例介绍基准电压源，说明新型电压基准的各种特性、增强功能及性能，以便设计人员善加利用以充分发挥其优势。此外，本文还将展示 ADR43x 器件的应用方法，如何将其保持在可接受限值范围内，从而使 ADC、DAC 和系统作为一个整体来充分发挥潜力。

基准电压源的关键作用

基准电压源的基本形式是一个三端子器件，分别连接电源轨、接地（公共）和精密输出电压（图 1）。如果基准源选型或应用不当，就会获得不准确的基准电压，从而影响转换器输出的有效性和可信度。

图 1：基准电压源的基本形式是连接输入电压、输出基准电压和接地（公共）的三端子器件，图中所示为 Analog Devices 的 LT6656 系列中的 LT6656AIS6-2.5 器件。（图片来源：Analog Devices）

根据标称输出电压、精度和容差及其他参数选择合适的基准源后，设计人员所面临的挑战在于如何使用该基准源使指定性能完全满足应用要求，而不降低器件的性能。这一点的重要性不容小觑。如上所述，基准电压是 ADC 在将电压信号数字化时判断模拟输入电压的主要标准。而对于 DAC 而言，稳定可靠的基准电压源能让转换器生成与输入数字代码相对应的精确模拟输出电压。

基准源选型

固态基准电压源主要采用三种常用技术：掩埋齐纳二极管、利用晶体管 V_be 的带隙基准电压源，以及 Analog Devices 的 XFET^® 配置，其中使用两个结型场效应管 (JFET) 串联工作（美国专利号 5,838,192）。

虽然基准电压源设计人员可能会讨论各种方法之间的细微差别和各自属性（理由充分），但对于大多数基准电压源用户而言，重点仍在于性能、利弊权衡、应用和成本问题。本文采取的亦是这种观点。

由于所使用技术的器件基本物理特性，基准电压源的内部核心基准电压值可能比较“怪异”，但是基准电压源的内部电路设计旨在确保输出电压与转换器分辨率匹配良好，并且能够满足系统需求。

例如，许多基准源以系列产品上市，除输出电压值有所不同外，器件的其他性能均相同。可选择的输出电压值如 2.048 V、2.5 V、3.0 V、4.096 V 和 5.0 V。其中，2.048 V 和 4.096 V 基准电压能够“均匀”地映射到转换器分辨率，因此这两种规格最为常用；例如，使用 4.096 V 基准源的 12 位转换器的标称比例为 1 mV/离散间隔数。

初始基准精度以百分比或毫伏为单位标定；精度差异可能较大，因为某些应用的精度要求比其他应用高。通常，精度越高，实现和维持精度的难度越大；就典型基准源规格而言，最大误差为 ±0.1%（所有情况下适用）。然而，基础拓扑学与工艺技术的进步使得这一规格得以改进。例如，4.096 V 的 ADR434 基准源采用 XFET 技术，初始精度为 ±5 mV（A 后缀）或 ±1.5 mV（B 后缀）。

不过，对许多应用而言，基准源的稳定性和长期一致性比绝对精度更为重要。原因可能在于数字信号可进行后续校正；或是相较于绝对精度，比较结果及信号转换更为重要，而这两者都受基准源稳定性直接影响。因此，选择基准源时必须在所需的绝对精度与稳定性之间进行权衡，并考虑如何保持稳定性。

考量稳定性因素时还需深思熟虑。是否仅作短期使用，例如简单试验时用于获取数据？或是长期数据采集，期限超过一年或更长时间？每个项目启动之前，设计人员都必须回答这些问题。

外部基准源对比内部基准源

另有一个更基本的问题：您需要配置独立外部基准源吗？Analog Devices 的 AD7605-4BSTZ ADC 等转换器具有内部基准电压源，可节省电路板空间和物料清单 (BOM)（图 2）。此外，从规格书可知，该器件具有完全特性化的 ADC 读数精度，因为基准源的性能表现为转换器 IC 整体性能的一部分。

图 2：16 位 AD7605-4BSTZ 等许多 ADC 都具有内部基准电压源。由于基准源性能已纳入转换器的整体规格，此举不但可以节省空间和减少 BOM，还能简化误差预算分析。（图片来源：Analog Devices）

然而，即使转换器内核适用，内部基准源可能仍无法提供所需的性能，因此多数转换器都可连接外部基准源。请注意，对于应用特定性和成本敏感度较高的转换器（例如用于低端音频通道的转换器），内部转换器可能就已符合目标标准，因此无需使用外部基准源。尽管如此，因为内部基准源的性能可能与相关转换器的规格相当，所以可以简单认为，外部基准源的性能表现通常比内部基准源更为出色。

即使内部基准电压源足以满足需求，出于另一原因仍需考虑使用外部基准电压源。设计中包含多个转换器 IC 时，各个内部基准源可能有所不同或不能以相同的方式跟踪彼此。因此，单纯因为基准源的差异就会导致结果数据不一致，这会造成无法校正的误差，从而使数据难以相关联。

基于上述原因，对于具有多个转换器的高性能系统，通常最好共用单个外部基准源。然而，这又会引起人们质疑由单个基准源“驱动”多个转换器是否会降低其基本性能。下面将对这一顾虑做进一步讨论。

维持基准源的性能

除初始精度和容差规格外，基准源还有一些问题必须解决，以确保性能保持在可接受限值范围内。这些问题包括：

1. 布局问题，包括电压降和噪声
2. 输出驱动（拉出/灌入）、负载缓冲和瞬态性能
3. 短期稳定性和温度引起的漂移
4. 由于老化、物理应力和封装导致的长期漂移

1.布局问题，包括电压降和噪声：与所有敏感的模拟信号一样，即使是静态电压信号，也会造成基准源输出和转换器之间的阻抗 (IR) 压降过大。虽然基准源负载大多较小，仅仅只有数十毫安，但即使是 10 mA 的小电流负载通过 100 mΩ 电阻也会产生 1 mV 电压降，这可能会带来相当大的误差预算。

ADR43x 系列基准电压源能克服这一问题，其中使用开尔文连接配置，将导线电阻加入外部运算放大器（运放）的强制回路内（图 3）。放大器可检测负载端的电压，因此运算放大器的回路控制强制输出补偿导线压降，从而在负载端产生正确的电压。

图 3：ADR43x 系列器件可通过外部运算放大器配置为开尔文连接，由于从基准源输出连接至转换器基准电压输入的任何 IR 压降都在反馈回路内，因而可以校正损耗。（图片来源：Analog Devices）

由于负载噪声、接地（公共）噪声以及拾取自去耦不充分的电源轨噪声，外部噪声也会影响基准电压源，这与转换器的情况一样。此外，还需考虑基准源的内部噪声，通常分为低频噪声（0.1 Hz 至 10.0 Hz）和高频噪声（10 Hz 至 25 kHz）。ADR43x 系列等器件中的高性能基准源具有低频噪声（峰峰值 (p-p) 低于 3.5 μV）和高频噪声（10 Hz 至 10 kHz 时约为 200 μV [峰值]）。

ADR431BRZ-REEL7 的噪声强度谱如图所示（图 4）。对于不同的容性负载，曲线在大约 1 kHz 以下相对平坦，然后逐渐上升；容性负载为零时，曲线始终平坦。

图 4：对于不同的容性负载，ADR431BRZ-REEL7 的噪声强度在频率低于 1 kHz 时相对平坦，然后逐渐上升；容性负载为零，曲线始终平坦，并且容性负载越大，噪声强度上升越快。（图片来源：Analog Devices）

降低噪声的常用策略是添加简单的电阻-电容 (RC) 滤波器。不过在较大的容性负载下，许多基准源的输出放大器可能会变得不稳定且出现振荡，因此除非基准源设计需要，否则通常不会在输出端连接数微法的大电容。对于 ADR43x 器件而言，如果高频噪声仍然超出要求，那么基本解决办法是在基准源输出端接入简单的 RC 滤波器（图 5）。

图 5：ADR43x 基准电压源的基本连接只需少量无源外部元器件，输入端接入两个电容，输出端则接入一个 0.1 µF 基本电容。（图片来源：Analog Devices）

请注意，ADR43x 系列的每款基准源均提供一个外部引脚，可用于访问内部补偿节点，允许在关键电路点添加外部串联 RC 电路（图 6）。

图 6：ADR43x 器件封装具有用户可访问的引脚（引脚 7），以便为内部运算放大器添加所需的补偿。（图片来源：Analog Devices）

添加 RC 电路可让用户对内部运算放大器“过补偿”，以避免不稳定。用户可以选择电容值，使噪声强度随频率变化较小，达到可接受水平（图 7）。

图 7：使用 ADR43x 基准源的设计中，设计人员可以选择 RC 电路的参数值以实现所需的降噪水平，而无需担心因此造成输出不稳定。各种 RC 组合的噪声强度与频率的关系如图所示。（图片来源：Analog Devices）

2.输出驱动（拉出/灌入）、负载缓冲和瞬态性能：大多数基准源都内置缓冲，可以实现高达 5 或 10 mA 的拉出和灌入电流。如果所需的负载电流大于基准源的额定拉/灌电流，则需要添加外部缓冲器（通常使用单位增益）。然而，设计人员可能不想添加缓冲器，因为其缺陷（不精确、漂移）的潜在影响可能会使基准源超出系统规格要求。

ADR43x 系列基准源的额定拉/灌电流相对较大，分别为 +30 mA 和 -20 mA，因此多数情况下不需要添加外部电流缓冲器。

此外，基准源负载并非恒定，而是可能随着 ADC（或 DAC）的内部转换而有所变化。如果转换器的外部基准源输入添加了缓冲器，就不会出现问题；否则就必须检查基准源的瞬态性能。在某些情况下，基准源和转换器之间需要添加外部缓冲器，以便驱动瞬态负载；同样，系统误差分析时也必须考虑缓冲器的性能。

3.短期稳定性和温度引起的漂移：有源电路的建立和芯片的热梯度稳定都需耗费一定时间，因此基准源的输出将出现漂移。多数基准电压源的导通建立时间通常取决于负载电容，但负载较小时，ADR431 受负载电容影响很小（图 8 和图 9）。

图 8：无负载时 ADR431 的导通建立时间约为 8 µs。（图片来源：Analog Devices）

图 9：接入 0.01 µF 负载时，ADR431 的导通建立时间仍然约为 8 µs。（图片来源：Analog Devices）

规格书注明了指定温度下的基准源精度，通常与初始精度有所不同。由于温度会引起输出的变化，以致很容易超出系统的精度要求，因此需要选择漂移规格相对较小的基准源。ADR43x 系列基准源的额定工作温度范围为 -40℃ 至 +125℃；ADR434A（4.096 V，±5 mV 初始精度）的温度系数为 10 ppm/℃，而该系列的其他器件则低至 3 ppm/℃。

4.由于老化、物理应力和封装导致的长期漂移：漂移往往是造成基准电压不准确的重要原因。假设应用要求基准电压源在工作温度范围内的总精度为 ±0.1%，那么设计人员可选择具有 ±0.05% 初始精度和超低温度系数 (±5 ppm/℃) 的高性能基准源。

在 25℃ 至 125℃ 范围内，由温度系数引起的漂移为 5 ppm/℃ × 100℃，即 500 ppm (0.05%)，因此总误差（初始误差 + 漂移误差）满足 ±0.1% 的应用要求。某些高端应用将基准源放置在温度可控的恒温器中，这就类似于在温度恒定环境中用于提供基准频率的晶振和时钟，但对于多数情况而言此举既不可取也不实用。

基准源精度越高，为了维持精度，就更需要考虑基准电压的长期漂移 (LTD) 影响。然而，由于 LTD 也受生产程序和产品使用模式直接影响，而非仅凭周全的设计和相关组件的选型就能补偿，因此 LTD 给设计工程师提出了一项特殊挑战。电路板装配时的封装应力是造成 LTD 的主要原因。暴露于电路板焊接过程的高温环境下，塑料封装的 IC 会稍微变形，这种由应力引起的尺寸变化会对基准电压源芯片造成影响。

尽管数小时、数天甚至数周后，这类装配引起的机械应力就会消失并恢复正常，但是基准电压源输出却因此发生了改变。变化量取决于布局、器件封装及其他因素，量级通常为数十百万分率。此外，器件生产满一年后，基准源的芯片与封装会趋于“稳定”，因此某些基准源规格书注明了这个更长时间段的漂移。

多数基准源规格书提供的 LTD 规格为前 1000 小时工作的典型漂移；ADR43x 系列基准源规格书注明 1000 小时的 LTD 为 40 ppm（典型值），但也请注意，后续 1000 小时的漂移会明显低于前 1000 小时。

针对这种由应力引起的漂移，一种解决方案是在数小时内使电路板经过几次热循环，因为这将加速内应力的消除；另一种解决方案则是考虑使用陶瓷封装的基准电压源，因为陶瓷封装通常比塑料封装更稳定，弯曲强度亦比塑料封装高。但是，许多基准源不能采用陶瓷封装；但这可能并不构成影响，因为最新一代塑料封装基准源提供的 LTD 性能堪比陶瓷封装器件。

最后，设计人员也不能忽视器件电源轨的瞬态电压对基准电压源的影响；毕竟就许多方面而言，基准源都是一种特殊“电源”。因此，输出精度不仅受负载变化影响，无干扰的稳定直流 (DC) 输入线路是维持指定性能的另一个因素。换言之，精心设计的基准电压源需要精密调节的功率输入。在 7 至 18 V 的输入电压范围内，ADR431 规格书注明线路调节 ΔV_OUT/ΔV_IN 典型值为 5 mV/ppm，最大值为 20 mV/ppm（图 10）。

图 10：基准电压源电源轨的瞬态电压会对器件性能产生不利影响，但是良好的内部线路调节可以解决这一问题。例如，线路瞬态电压为 500 mV 时，ADR43x 器件的输出并无变化。（图片来源：Analog Devices）

总结

无论作为 ADC 或 DAC 的内部组件还是分立的外部元器件，基准电压源是任何数据转换器应用系统的关键构件。随着器件基本精度、漂移及其他参数的改进，系统级性能也相应提升。

如上所述，基准电压源具有各种特性和增强功能（拓扑和工艺方面）可供设计人员选择。这些貌似简单的基准电压源不但新增各项功能，以确保在各种静态和动态操作条件下保持精度和性能稳定性，而且为设计人员提供多种选项以满足严格的设计要求。

参考资料：

1. Analog Devices, AN-713, "The Effect of Long-Term Drift on Voltage References"
2. Analog Devices, Engineer Zone, "Trimming the ADR430"