高精度電壓基準源REF61xx：設(shè)計與應(yīng)用的深度剖析

在電子工程師的日常設(shè)計中，高精度電壓基準源是實現(xiàn)精確數(shù)據(jù)采集和處理的關(guān)鍵組件。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的REF61xx系列高精度電壓基準源，看看它有哪些獨特的特性和應(yīng)用場景。

文件下載：ref6130.pdf

1. REF61xx概述

REF61xx系列包括REF6125、REF6130、REF6133、REF6141、REF6145和REF6150等型號，具有集成的低輸出阻抗緩沖器，能夠直接驅(qū)動精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的REF引腳，同時保持出色的線性度、失真和噪聲性能。這一特性使得REF61xx在眾多高精度應(yīng)用中脫穎而出。

2. 特性亮點

2.1 溫度漂移性能卓越

在溫度變化范圍從 -40°C 到 +125°C 時，REF61xx的最大溫度漂移僅為 8 ppm/°C。這意味著在不同的工作環(huán)境溫度下，它能夠提供非常穩(wěn)定的輸出電壓，確保數(shù)據(jù)采集的準確性。大家在實際應(yīng)用中，有沒有遇到過因為溫度漂移導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準確的情況呢？

2.2 極低噪聲水平

總噪聲方面，搭配 47-μF 電容時，總噪聲僅為 (5 mu V_{RMS}) ；在 0.1 Hz 到 10 Hz 的 1/f 噪聲僅為 3 μVPP/V。低噪聲對于高精度測量至關(guān)重要，能夠有效減少噪聲對測量結(jié)果的干擾。

2.3 集成ADC驅(qū)動緩沖器

輸出阻抗極低，在 0 - 200 kHz 頻率范圍內(nèi)小于 (50 m Omega) 。這使得它能夠很好地驅(qū)動ADC的REF引腳，并且在與ADS8881配合使用時，首個采樣點就能精確到 18 位。此外，還支持突發(fā)模式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，滿足一些特殊應(yīng)用場景的需求。

2.4 低功耗設(shè)計

工作時的供電電流僅為 820 μA，關(guān)斷電流更是低至 1 μA，有效降低了系統(tǒng)的功耗。對于一些對功耗要求較高的應(yīng)用，如電池供電設(shè)備，REF61xx的低功耗特性無疑是一大優(yōu)勢。

2.5 高初始精度

初始精度達到 ±0.05%，能夠為系統(tǒng)提供高精度的電壓基準，確保數(shù)據(jù)采集的準確性。

2.6 低噪聲和失真

與ADS8881配合時，SNR 達到 100.5 dB，THD 為 –125 dB；與ADS127L01配合時，SNR 為 106 dB，THD 為 –120 dB。這些優(yōu)異的指標表明REF61xx在減少噪聲和失真方面表現(xiàn)出色。

2.7 輸出電流驅(qū)動能力

輸出電流驅(qū)動能力為 ±4 mA，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。同時，還支持可編程短路電流，增強了系統(tǒng)的安全性。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域

REF61xx的應(yīng)用非常廣泛，涵蓋了多個領(lǐng)域：

• ATE測試儀和示波器：在這些高精度測試設(shè)備中，REF61xx的高精度和低噪聲特性能夠確保測量結(jié)果的準確性。
• 測試和測量設(shè)備：為各種測試和測量設(shè)備提供穩(wěn)定的電壓基準，提高測量精度。
• PLC的模擬輸入模塊：在工業(yè)自動化領(lǐng)域，PLC的模擬輸入模塊需要高精度的電壓基準來實現(xiàn)精確的數(shù)據(jù)采集，REF61xx正好滿足這一需求。
• 醫(yī)療設(shè)備：醫(yī)療設(shè)備對精度和可靠性要求極高，REF61xx的高性能能夠為醫(yī)療設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的電壓基準。
• 精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：在需要高精度數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)中，REF61xx的集成ADC驅(qū)動緩沖器和高精度特性能夠確保采集到的數(shù)據(jù)準確無誤。

4. 電氣特性詳解

4.1 絕對最大額定值

輸入電壓最大為 6 V，工作溫度、結(jié)溫以及存儲溫度的最大值均為 150°C。在設(shè)計時，我們必須確保系統(tǒng)的工作條件在這些額定值范圍內(nèi)，否則可能會導(dǎo)致器件損壞。

4.2 ESD 評級

人體模型（HBM）的ESD評級為 ±1000 V，帶電設(shè)備模型（CDM）為 ±250 V。這提醒我們在使用和處理REF61xx時，要采取適當?shù)撵o電防護措施，避免ESD對器件造成損壞。

4.3 推薦工作條件

不同型號的REF61xx在輸入電壓、輸出電流和工作溫度等方面有不同的推薦工作條件。例如，REF6125的輸入電壓范圍為 3 - 5.5 V，輸出電流為 ±4 mA，工作溫度范圍為 -40°C 到 125°C。在設(shè)計時，我們要根據(jù)具體的型號和應(yīng)用需求，合理選擇工作條件。

4.4 熱信息

REF61xx的熱阻參數(shù)，如結(jié)到環(huán)境的熱阻 (R{θJA}) 為 158.5 °C/W，結(jié)到外殼（頂部）的熱阻 (R{θJC(top)}) 為 51.2 °C/W 等。這些參數(shù)對于我們進行散熱設(shè)計非常重要，能夠幫助我們確保器件在正常的溫度范圍內(nèi)工作。

4.5 電氣特性

在 (T{A}=25^{circ} C) ， (V{IN}=5 V) （REF6150 為 (V{IN}=5.4 V) ）， (I{L}=0 mA) ， (C{L}=22 mu F) ， (C{FILT }=1 mu F) ， (V_{EN}=5 V) 的條件下，REF61xx的輸出電壓精度為 ±0.05%，輸出電壓溫度系數(shù)為 8 ppm/°C 等。這些電氣特性是我們評估REF61xx性能的重要依據(jù)。

5. 典型應(yīng)用設(shè)計

5.1 設(shè)計要求

以一個 18 位、1 MSPS 的突發(fā)模式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，設(shè)計要求包括支持突發(fā)模式、有效位數(shù)（ENOB）大于 16 位、總諧波失真（THD）小于 -120 dB、功耗小于 50 mW 以及吞吐量達到 1 MSPS。

5.2 詳細設(shè)計步驟

• 輸入驅(qū)動部分：使用 THS4551 全差分運算放大器來驅(qū)動 18 位 ADC（ADS8881），并通過在 THS4551 輸出端設(shè)計 RC 濾波器來減少 ADC 內(nèi)部采樣開關(guān)開合產(chǎn)生的電荷反沖，確保采樣電容上的電壓在 ADC 的采集時間內(nèi)能夠穩(wěn)定到 18 位精度。
• 電壓基準部分：REF61xx系列電壓基準源集成了 ADC 驅(qū)動緩沖器，可以直接驅(qū)動 ADS8881 的 REF 引腳，無需外部參考緩沖器。在選擇輸出電容時，要根據(jù)穩(wěn)定性和突發(fā)模式要求，參考穩(wěn)定性部分關(guān)于輸出電容 ESR 的要求。同時，在 FILT 引腳連接 1 μF 電容以降低 REF61xx 的寬帶噪聲。

  5.3 實際測試結(jié)果

  經(jīng)過實際測試，該系統(tǒng)的 SNR 達到 100.5 dB，ENOB 為 16.4 位，THD 為 -125.9 dB，吞吐量為 1 MSPS，首個采樣點精度大于 18 位，功耗為 40 mW，完全滿足設(shè)計要求。

6. 布局和電源建議

6.1 布局指南

• 在 VIN 引腳和地之間連接低 ESR 的 0.1-μF 陶瓷旁路電容，以減少電源噪聲的影響。
• 將 REF61xx 的輸出電容 (C_{L}) 和 ADC 盡量靠近放置，減少信號傳輸過程中的干擾。
• 分別為 VOUT_F 和 VOUT_S 與輸出電容之間鋪設(shè)兩條獨立的走線，確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。
• 將 GND_F 和 GNDS 引腳通過實心平面短接，并將該平面延伸連接到輸出電容 (C{L}) ，同時使用實心接地平面來幫助散熱和減少電磁干擾（EMI）噪聲。
• 外部組件盡量靠近器件放置，避免出現(xiàn)寄生誤差，如塞貝克效應(yīng)。
• 避免敏感的模擬走線與數(shù)字走線平行，盡量減少數(shù)字和模擬走線的交叉，必要時采用垂直交叉方式。

  6.2 電源建議

  REF61xx系列的壓差電壓極低，在 VIN 和 GND_F 引腳之間必須連接至少 0.1 μF 的去耦電容，以保證電源的穩(wěn)定性。

7. 總結(jié)

REF61xx系列高精度電壓基準源憑借其卓越的溫度漂移性能、極低的噪聲水平、集成的ADC驅(qū)動緩沖器以及出色的電氣特性，在眾多高精度應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過合理的設(shè)計和布局，我們可以充分發(fā)揮REF61xx的優(yōu)勢，實現(xiàn)精確的數(shù)據(jù)采集和處理。在實際應(yīng)用中，大家可以根據(jù)具體的需求選擇合適的型號，并嚴格按照推薦的工作條件和布局指南進行設(shè)計，相信REF61xx能夠為你的設(shè)計帶來意想不到的效果。

以上就是關(guān)于REF61xx系列高精度電壓基準源的詳細介紹，希望對大家在電子設(shè)計中有所幫助。如果你在使用REF61xx過程中有任何問題或者經(jīng)驗，歡迎在評論區(qū)分享交流。