德州儀器REF31xx-Q1電壓基準(zhǔn)源：高精度與低功耗的完美結(jié)合

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電壓基準(zhǔn)源是許多電路系統(tǒng)中不可或缺的關(guān)鍵組件，其性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。德州儀器（TI）推出的REF31xx-Q1系列電壓基準(zhǔn)源，以其卓越的性能和小巧的封裝，在眾多應(yīng)用中展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競爭力。今天，我們就來深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、REF31xx-Q1的核心特性

1. 高可靠性與安全性

REF31xx-Q1通過了AEC-Q100認(rèn)證，工作溫度范圍為 -40°C 至 125°C，能夠適應(yīng)各種惡劣的汽車和工業(yè)環(huán)境。同時(shí)，它具有良好的靜電放電（ESD）防護(hù)能力，人體模型（HBM）ESD 分類等級(jí)為 H1C，充電設(shè)備模型（CDM）ESD 分類等級(jí)為 C4A，并且具備功能安全能力，還提供相關(guān)文檔以輔助功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2. 高精度與低漂移

該系列產(chǎn)品的精度極高，最大誤差僅為 0.2%。在溫度漂移方面表現(xiàn)出色，從 -40°C 到 +125°C 的最大漂移為 20ppm/°C，在 0°C 到 70°C 的主要應(yīng)用溫度范圍內(nèi)，典型漂移系數(shù)僅為 5ppm/°C，這使得它在不同溫度環(huán)境下都能提供穩(wěn)定的輸出電壓。

3. 低功耗與高輸出能力

REF31xx-Q1的靜態(tài)電流極低，典型值為 100μA，最大值為 135μA，且在溫度和電源變化時(shí)非常穩(wěn)定。同時(shí)，它能夠提供高達(dá) ±10mA 的輸出電流，滿足多種負(fù)載需求。此外，它的壓差極低，空載時(shí)僅需比輸出電壓高 5mV 的電源即可正常工作（REF3112 除外，其最小電源要求為 1.8V）。

4. 低噪聲與無需輸出電容

REF31xx-Q1的輸出噪聲較低，例如在 0.1Hz 至 10Hz 頻率范圍內(nèi)，REF3112-Q1 的噪聲為 17μVp-p/V。而且，該系列產(chǎn)品無需輸出電容，簡化了電路設(shè)計(jì)，降低了成本。

5. 豐富的電壓選項(xiàng)與小巧封裝

REF31xx-Q1提供了 1.2V、2V、2.5V、3V、3.3V、4V 等多種電壓選項(xiàng)，可滿足不同應(yīng)用的需求。它采用了微小的 3 引腳 SOT-23 封裝，尺寸僅為 2.92mm × 2.37mm，非常適合對空間要求較高的便攜式和電池供電設(shè)備。

二、REF31xx-Q1的應(yīng)用領(lǐng)域

1. 汽車電子

在混合動(dòng)力汽車（HEV）/電動(dòng)汽車（EV）動(dòng)力系統(tǒng)中，REF31xx-Q1可用于汽車電池管理系統(tǒng)、逆變器和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，為這些關(guān)鍵系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)，確保系統(tǒng)的精確控制和高效運(yùn)行。在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中，如雷達(dá)系統(tǒng)、夜視系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)聚光燈和前置攝像頭等，它的高精度和低噪聲性能有助于提高系統(tǒng)的檢測精度和圖像質(zhì)量。

2. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常需要穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)來保持精度，REF31xx-Q1的穩(wěn)定性和寬電壓范圍使其適用于大多數(shù)微控制器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，為數(shù)據(jù)采集提供準(zhǔn)確的參考電壓。

3. 便攜式設(shè)備

由于其低功耗和小巧的封裝，REF31xx-Q1非常適合用于便攜式、電池供電的設(shè)備，如手持儀器、可穿戴設(shè)備等，能夠延長設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。

三、REF31xx-Q1的詳細(xì)技術(shù)分析

1. 工作原理

REF31xx-Q1是一系列基于CMOS工藝的精密帶隙電壓基準(zhǔn)源。其基本帶隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過對晶體管 Q1 和 Q2 進(jìn)行偏置，使 Q1 的電流密度大于 Q2。兩者基極 - 發(fā)射極電壓之差（Vbe1 - Vbe2）具有正溫度系數(shù)，并被施加到電阻 R1 上。這個(gè)電壓經(jīng)過放大后與具有負(fù)溫度系數(shù)的 Q2 基極 - 發(fā)射極電壓相加，從而使輸出電壓幾乎不受溫度影響。不過，由于 Q2 基極 - 發(fā)射極電壓的溫度系數(shù)略有非線性，帶隙電壓會(huì)存在一定的曲率。

2. 關(guān)鍵參數(shù)分析

• 電源電壓：除 REF3112 外，其他型號(hào)在空載時(shí)只需比輸出電壓高 5mV 的電源即可工作。在負(fù)載情況下，典型的壓差與負(fù)載關(guān)系可參考典型特性曲線。同時(shí)，其靜態(tài)電流在溫度和電源變化時(shí)非常穩(wěn)定，在整個(gè)電源范圍內(nèi)變化通常小于 2μA。但需要注意的是，當(dāng)電源電壓低于指定水平時(shí)，REF31xx-Q1 可能會(huì)瞬間吸取大于典型靜態(tài)電流的電流，因此建議使用具有快速上升沿和低輸出阻抗的電源。
• 熱滯現(xiàn)象：熱滯定義為設(shè)備在 25°C 下工作，經(jīng)過指定溫度范圍（-40°C 至 +125°C）循環(huán)后再回到 25°C 時(shí)輸出電壓的變化。計(jì)算公式為 (V{HYST }=left(frac{a b sleft|V{P R E}-V{POST }right|}{V{NOM }}right) × 10^{6}(ppm))，其中 (V{PRE}) 是溫度循環(huán)前在 25°C 下測量的輸出電壓，(V{POST}) 是溫度循環(huán)后回到 25°C 時(shí)測量的輸出電壓。
• 溫度漂移：REF31xx-Q1 的溫度漂移采用箱式法計(jì)算，公式為 (Drift =left(frac{V{OUTMAX }-V{OUTMIN }}{V_{OUT } × Temperature Range }right) × 10^{6}(ppm))。在不同溫度范圍內(nèi)，其漂移系數(shù)表現(xiàn)良好，如 0°C 到 70°C 典型漂移系數(shù)為 5ppm/°C，-40°C 到 +125°C 典型漂移系數(shù)為 10ppm/°C。
• 噪聲性能：REF31xx-Q1 的噪聲電壓隨輸出電壓和工作溫度的升高而增加。典型的 0.1Hz 至 10Hz 電壓噪聲可參考相關(guān)曲線。為了改善輸出噪聲水平，可以使用額外的濾波措施，但要注意確保輸出阻抗不會(huì)影響交流性能。
• 長期穩(wěn)定性：長期穩(wěn)定性指的是參考電壓在數(shù)月或數(shù)年時(shí)間內(nèi)的變化情況。REF31xx-Q1 在 0 到 1000 小時(shí)的典型漂移值為 70ppm，隨著時(shí)間的推移，這種漂移效應(yīng)會(huì)逐漸減小。
• 負(fù)載調(diào)節(jié)：負(fù)載調(diào)節(jié)定義為負(fù)載電流變化引起的輸出電壓變化。REF31xx-Q1 的負(fù)載調(diào)節(jié)通過力線和檢測線進(jìn)行測量，這種方式可以減少接觸和走線電阻的影響，從而準(zhǔn)確測量由 REF31xx-Q1 本身貢獻(xiàn)的負(fù)載調(diào)節(jié)。對于需要改善負(fù)載調(diào)節(jié)的應(yīng)用，必須使用力線和檢測線。

3. 功能模式

• 負(fù)參考電壓模式：對于需要正負(fù)參考電壓的應(yīng)用，可以將 REF31xx-Q1 與 OPA703 結(jié)合使用，從 ±5V 電源提供雙電源參考。例如，使用 REF3125-Q1 可以提供 ±2.5V 的電源參考電壓，其低漂移性能與 OPA703 的低失調(diào)電壓和低漂移特性相結(jié)合，為分裂電源應(yīng)用提供了準(zhǔn)確的解決方案。
• 數(shù)據(jù)采集模式：REF31xx-Q1 系列的穩(wěn)定性和寬電壓范圍使其非常適合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在多個(gè)基本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示例中，它為微控制器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供了穩(wěn)定的參考電壓，確保了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

四、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

1. 電路連接與電容選擇

REF31xx-Q1 無需負(fù)載電容，如果使用負(fù)載電容，建議選擇 ESR 至少為 0.5Ω 的電容。同時(shí)，TI 建議使用 0.47μF 的電源旁路電容。

2. 典型應(yīng)用電路

在一個(gè)低功率參考和調(diào)理電路中，REF31xx-Q1 可用于精確調(diào)理 ±5V 的雙極性輸入電壓，使其適合具有 1.25V 參考電壓的低壓 ADC 進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該電路通過精密參考電路對輸入信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、為 ADC 提供參考電壓，并為低功率模擬電路創(chuàng)建穩(wěn)壓電源。同時(shí)，使用低功率、零漂移的運(yùn)算放大器電路對輸入信號(hào)進(jìn)行衰減和電平轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮電源電壓、最大輸入電壓、指定輸入電壓和 ADC 參考電壓等參數(shù)，確保電路在較寬的輸入范圍內(nèi)仍能正常工作。

3. 電源與布局建議

電源方面，除 REF3112 外，其他型號(hào)空載時(shí)只需比輸出電壓高 5mV 的電源，負(fù)載情況下可參考典型特性曲線。建議使用大于 0.47μF 的電源旁路電容。布局時(shí)，要在 REF31xx-Q1 的 (V_{IN}) 端連接低 ESR 的 0.47μF 陶瓷旁路電容，按設(shè)備規(guī)格對系統(tǒng)中的其他有源設(shè)備進(jìn)行去耦。使用實(shí)心接地平面來幫助散熱和減少電磁干擾（EMI）噪聲拾取，將外部組件盡可能靠近設(shè)備放置，以防止寄生誤差。同時(shí)，要盡量減小參考和偏置連接到 INA 和 ADC 之間的走線長度，避免敏感模擬走線與數(shù)字走線并行，若無法避免則盡量垂直交叉。

五、總結(jié)

德州儀器的 REF31xx-Q1 系列電壓基準(zhǔn)源以其高可靠性、高精度、低功耗、低噪聲等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為了汽車電子、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、便攜式設(shè)備等眾多應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，合理選擇電壓選項(xiàng)和電容值，并注意電源和布局的設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮 REF31xx-Q1 的性能優(yōu)勢。大家在實(shí)際使用過程中，有沒有遇到過一些特殊的問題或者有獨(dú)特的應(yīng)用技巧呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。