為了使模擬信號(hào)表示（或由數(shù)字表示），需要參考（通常是電壓）來轉(zhuǎn)換刻度。因此，A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)字?jǐn)?shù)字與模擬信號(hào)與基準(zhǔn)電壓之比成比例;D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸出是滿量程電壓或電流的一小部分，由基準(zhǔn)電壓源建立。如果參考信號(hào)產(chǎn)生+1%的誤差，則會(huì)導(dǎo)致成比例的系統(tǒng)誤差：DAC的模擬輸出將增加1%，ADC的數(shù)字輸出將減少1%。

在需要絕對(duì)測量的系統(tǒng)中，系統(tǒng)精度高度依賴于基準(zhǔn)電壓源的精度。在高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，尤其是那些必須在寬溫度范圍內(nèi)工作的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高穩(wěn)定性基準(zhǔn)電壓源是必須的。任何轉(zhuǎn)換器的精度都受到其基準(zhǔn)電壓源的溫度靈敏度和長期漂移的限制。如果允許基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生僅相當(dāng)于最低有效位 1/2 的誤差 （1 LSB = 2-n滿量程），即使對(duì)于小的溫度偏移，看到參考必須有多好可能會(huì)令人驚訝。當(dāng)溫度變化很大時(shí)，參考設(shè)計(jì)是一個(gè)主要問題。

例如，自動(dòng)校準(zhǔn)的真正 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程 LSB 為 15.2 ppm。要使ADC具有16位的絕對(duì)精度，整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的基準(zhǔn)電壓源誤差必須小于或等于1/2 LSB或7.6 ppm。如果基準(zhǔn)電壓漂移為1 ppm/°C，則（忽略所有其他誤差源）總溫?cái)[不得超過7.6°C，以保持真正的16位精度。經(jīng)常被忽視的花藥誤差源是參考噪聲;保持較低水平（通常小于1/4 LSB）對(duì)于高精度至關(guān)重要。基準(zhǔn)電壓源溫度系數(shù)的非線性和較大的熱滯后是其他誤差來源，會(huì)顯著影響整體系統(tǒng)精度。

參考資料的類型

齊納*二極管：多年來廣泛使用的是溫度補(bǔ)償齊納二極管，它由器件表面的基極-發(fā)射極結(jié)反向擊穿產(chǎn)生。齊納二極管具有恒定的壓降，特別是當(dāng)用于可以提供來自較高電源電壓的恒定電流的電路中時(shí)。齊納二極管提供多種電壓選擇：從大約 6 V 到 200 V，容差為 1.0% 到 20%，功耗從幾分之一瓦到 40 或 50 W。但是，它們有許多缺點(diǎn)。它們通常需要額外的電路來獲得低輸出阻抗，低成本器件的耐壓性通常較差;它們嘈雜，對(duì)電流和溫度的變化非常敏感，并且容易受到隨時(shí)間變化的影響。

埋入式或地下齊納是精密IC器件的首選參考源。在齊納次表面參考中，反向擊穿區(qū)域被保護(hù)性擴(kuò)散覆蓋，以使其遠(yuǎn)低于表面發(fā)現(xiàn)的雜質(zhì)、機(jī)械應(yīng)力和晶體缺陷。由于這些效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致噪聲和長期不穩(wěn)定，埋入式擊穿二極管比表面齊納二極管噪聲更小，更穩(wěn)定。但是，它需要至少6 V的電源，并且必須消耗數(shù)百微安的電流才能將噪聲保持在實(shí)際水平。

*注意：參考二極管可以使用兩種類型的擊穿現(xiàn)象，齊納和雪崩。大多數(shù)參考二極管采用更高電壓的雪崩模式，但都被稱為“齊納”二極管。

帶隙：另一種流行的基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)技術(shù)使用帶隙原理：V是任何硅晶體管的負(fù)溫度系數(shù)約為2 mV/°C，在絕對(duì)零度（硅的帶隙電壓）下可以外推到約1.2V。在不同電流密度下工作的匹配晶體管之間的基極-發(fā)射極電壓差將與絕對(duì)溫度（PTAT）成正比。此電壓，加到 V是憑借其負(fù)溫度系數(shù)，將實(shí)現(xiàn)恒定的帶隙電壓。這種溫度不變電壓可用作并聯(lián)連接中的“低壓齊納二極管”（AD1580）。更常見的是，它被放大和緩沖以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電壓值，例如2.5或5 V。帶隙基準(zhǔn)電壓源自推出以來已獲得高度精細(xì)化并被廣泛使用;然而，它缺乏當(dāng)今許多電子系統(tǒng)所要求的精度。實(shí)用帶隙基準(zhǔn)電壓源的噪聲性能不佳，具有相當(dāng)大的溫度遲滯，并且具有長期穩(wěn)定性，具體取決于至少一個(gè)片內(nèi)電阻的絕對(duì)值。

新原理--XFET?： 隨著使用 5V 電源的系統(tǒng)激增，以及對(duì)在 3 V 及以下工作的需求不斷增長，IC 和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員需要高性能基準(zhǔn)電壓源，該基準(zhǔn)電壓源可以采用遠(yuǎn)低于埋式齊納二極管所需 >6 V 的電源軌工作。此類器件必須將低功耗操作與低噪聲和低漂移相結(jié)合。還需要線性溫度系數(shù)、良好的長期穩(wěn)定性和低熱滯后。為了滿足這些需求，我們創(chuàng)建了一個(gè)新的基準(zhǔn)電壓架構(gòu)來提供這種急需的基準(zhǔn)電壓源。該技術(shù)被稱為XFET?（eXtra 植入式 FET），產(chǎn)生一個(gè)需要低電源電流的低噪聲基準(zhǔn)，并提供改進(jìn)的溫度系數(shù)線性度和低熱滯后。

XFET基準(zhǔn)的內(nèi)核由兩個(gè)結(jié)型場效應(yīng)晶體管組成，其中一個(gè)晶體管具有額外的通道植入物，以提高其夾斷電壓。當(dāng)兩個(gè)JFET以相同的漏極電流運(yùn)行時(shí)，夾斷電壓差被放大并用于形成高度穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源。固有基準(zhǔn)電壓約為500 mV，負(fù)溫度系數(shù)約為120 ppm/K。該斜率基本上鎖定在硅的介電常數(shù)中，并通過添加與用于補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓源的比例與絕對(duì)溫度（PTAT）相同的方式生成的校正項(xiàng)來密切補(bǔ)償。然而，XFET的固有溫度系數(shù)比帶隙低約<>倍。因此，需要的更正要少得多。這往往會(huì)產(chǎn)生更少的噪聲，因?yàn)閹痘鶞?zhǔn)電壓源的大部分噪聲來自溫度補(bǔ)償電路。溫度校正項(xiàng)由電流IPTAT，為正且與絕對(duì)溫度成比例（圖1）。

圖1.ADR29x基準(zhǔn)電壓源的簡化原理圖

ADR29x系列是基于XFET架構(gòu)的不斷壯大的基準(zhǔn)電壓源系列中的首款。它們采用2.7至15 V電源軌供電，功耗僅為12 μA。 輸出電壓選項(xiàng)包括2.048 V （ADR290）、2.5 V （ADR291）、4.096 V （ADR292）和5 V （ADR293）。

新技術(shù)的成果：XFET電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比大多數(shù)帶隙和齊納基準(zhǔn)電壓源具有顯著優(yōu)勢。在相同電流下工作時(shí)，XFET基準(zhǔn)電壓源在0.1至10 Hz頻率下的峰峰值噪聲電壓通常比帶隙低3倍（參見REF192和ADR291之間的比較）?；蛘?，帶隙基準(zhǔn)電壓源的供電電流通常為XFET基準(zhǔn)電壓源的20倍，以提供等效的峰峰值噪聲性能（ADR291與AD680）。XFET 基準(zhǔn)電壓源在擴(kuò)展的工業(yè)工作溫度范圍內(nèi)具有非常平坦或線性的溫度系數(shù)。最佳帶隙和齊納基準(zhǔn)電壓源通常在極端溫度下具有非線性溫度系數(shù)。這些非線性在器件之間不一致，因此不能使用簡單的ROM/軟件查找表進(jìn)行溫度系數(shù)校正。溫度系數(shù)線性度是DVM應(yīng)用的一個(gè)非常重要的規(guī)格。XFET的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其出色的長期穩(wěn)定性。其漂移小于帶隙基準(zhǔn)電壓源的五分之一，與齊納基準(zhǔn)電壓源的漂移相當(dāng)（見表）。

表 1.齊納、帶隙和XFET基準(zhǔn)電壓源的比較

*上品

盡管靜態(tài)電流較低，但ADR29x系列能夠通過低壓差PNP輸出級(jí)向負(fù)載提供5 mA電流;并且不需要輸出去耦電容器。XFET設(shè)計(jì)的熱滯后比帶隙要好得多。生產(chǎn)器件在承受 200 開爾文熱沖擊時(shí)表現(xiàn)出大約 100 μV 的可恢復(fù)和非累積偏移，而在相當(dāng)?shù)膸吨袆t表現(xiàn)出 500 至 1000 μV 的偏移。ADI專有的XFET架構(gòu)在需要精度、穩(wěn)定性和低功耗的便攜式系統(tǒng)中提供的整體性能優(yōu)勢是現(xiàn)有帶隙或齊納基準(zhǔn)電壓源無法比擬的。

應(yīng)用-電流源：ADR29x系列適用于許多低功耗、低壓精密基準(zhǔn)電壓源應(yīng)用，包括負(fù)基準(zhǔn)電壓源和“增強(qiáng)型”精密穩(wěn)壓器，采用具有開爾文反饋連接的外部低靜態(tài)軌到軌放大器。低且不敏感的靜態(tài)電流（在整個(gè)溫度范圍內(nèi)約為12 ± 2 μA）允許ADR29x系列產(chǎn)品用作精密電流源，采用低電源電壓工作。

圖2顯示了帶有接地負(fù)載的浮動(dòng)電流源的基本連接。精密調(diào)節(jié)輸出電壓導(dǎo)致電流 （V外/R設(shè)置），以流經(jīng) R設(shè)置，這是固定電阻和可調(diào)外部電阻的總和。該電流<5 mA，與靜態(tài)電流相加，形成通過R的負(fù)載電流L.因此，可以對(duì)12 μA至5 mA的可預(yù)測電流進(jìn)行編程，以流過負(fù)載。

圖2.精密電流源。

審核編輯：郭婷