电压基准的特性及选用解析

1、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

2、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%,则其电压精度范围为：5.25.21x%.25.2V475V525.0025.2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

3、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/C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/C ,则环境温度每变化1C ,其输出电压改变10VX10X10- 6=100叮。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.

4、 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25C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这里所说的噪声指电压基准输出端的电

5、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（0.110Hz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

6、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 Referenee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V REF =V IN -IFXR=V IN -(I Q +I LR，当输入电压V IN或负载电流I L发生产化时，这类基准通过调节I Q来保持V REF的稳定。并联基准只有2

7、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。图1并联基准(2.串联基准(Series Referenee如图2所示仲联基准工作时与负载是串联的关系，基准电压V REF =V IN -I FXR S =V IN -(I Q +I L R S由于IQ很小且基本保持恒定，故当V IN或I L发生变 化时，串联基准通过调节内部的 R S阻值来保持V REF的稳定。串联基准有3个引 脚，输入输出压差和I Q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。V REF

8、Rs并联基准R LI QI L图2串联基准2. 按技术工艺划分(1.齐纳基准(Zener Referenee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 Referenee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，

9、并要消耗几百微安的电流，价格较昂贵。(3.带隙基准(Bandgap Referenee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810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

10、-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。V REFR LI LI Q R SI F串联基准表一掩埋齐纳、带隙和XFET基准主要性能

11、比较掩埋齐纳基准 带隙基准XFET基准工作电压 5V可低至3V可低至2.7V静态电流310mA 0.452mA 520 A初始精度0.01%0.5% 0.04%1.0% 0.06%0.3% 温度系数 120ppm/C 3100ppm/C 825ppm/C 噪声电压(0.110Hz410 卩 V 450 卩 V 610 长期漂移 1575 卩 V/Kh 4250 卩 V/Kh 0.21 卩 V/Kh适用场合12位或以上较高精度的系统。810位精度，或低压、低功耗,要求一 般的系统。低压、低功耗且较咼精度的系统。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

12、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10C,那么一个初始精度为0.01%（相当于 100ppm，温度系数为10ppm/C （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1

13、5C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：%10211C2126X =x n nppm初始精度 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 T那么基

14、准的温度系数TC可 由下式确定：TC n ? x 2106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 T通常可以25C为基准来计算，以工业温度范围-40C +85C为例， T可取 60 C (85 C -25 T ,因为生产厂商通常在25C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25r为变化基准，温度在C100C变化 时,820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。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

15、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0.110Hz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 XFET TM Refere ncesAn alog Dialogue 1998 An alog Devicesnc.2. Perry Miller T