REF20xx系列電壓基準(zhǔn)芯片：設(shè)計(jì)與應(yīng)用全解析

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，電壓基準(zhǔn)芯片是至關(guān)重要的元件，它為電路提供穩(wěn)定、精確的參考電壓，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能和精度。今天，我們就來深入探討德州儀器（Texas Instruments）的REF20xx系列電壓基準(zhǔn)芯片，包括REF2025、REF2030、REF2033和REF2041。

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一、REF20xx芯片特性亮點(diǎn)

1. 雙輸出設(shè)計(jì)

REF20xx芯片提供兩個(gè)輸出，分別是(V{REF})和(V{REF}/2)（即(V_{BIAS})）。這種設(shè)計(jì)在單電源系統(tǒng)中非常實(shí)用，能方便地為模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）提供參考電壓，同時(shí)為輸入的雙極性信號(hào)提供偏置電壓。

2. 出色的溫度漂移性能

在 - 40°C 至 125°C 的寬溫度范圍內(nèi)，其最大溫度漂移僅為 8 ppm/°C，這意味著芯片輸出電壓隨溫度變化的波動(dòng)極小，能在不同環(huán)境溫度下保持高度的穩(wěn)定性。例如在一些工業(yè)現(xiàn)場的電子設(shè)備中，環(huán)境溫度變化較大，REF20xx就能很好地保證系統(tǒng)的精度。

3. 高初始精度

初始精度最高可達(dá) ±0.05%，這使得芯片在啟動(dòng)時(shí)就能提供非常精確的輸出電壓，減少了系統(tǒng)的初始誤差。對(duì)于對(duì)精度要求極高的測量儀器等設(shè)備來說，這一特性至關(guān)重要。

4. (V{REF})和(V{BIAS})的跟蹤性能

在 - 40°C 至 85°C 范圍內(nèi)，(V{REF})和(V{BIAS})的跟蹤精度最高可達(dá) 6 ppm/°C；在 - 40°C 至 125°C 范圍內(nèi)，最高可達(dá) 7 ppm/°C。這保證了兩個(gè)輸出電壓在不同溫度下能保持良好的一致性。

5. 其他特性

• 微型封裝：采用 SOT23 - 5 封裝，體積小巧，節(jié)省電路板空間，適合用于對(duì)空間要求較高的設(shè)計(jì)。
• 低壓差電壓：僅 10 mV 的壓差電壓，允許在非常低的輸入電壓下工作，這對(duì)于電池供電系統(tǒng)尤為重要，能有效延長電池的使用壽命。
• 高輸出電流：每個(gè)輸出可提供 ±20 mA 的輸出電流，能滿足大多數(shù)負(fù)載的需求。
• 低靜態(tài)電流：靜態(tài)電流僅為 360 μA，功耗較低，有助于降低整個(gè)系統(tǒng)的能耗。
• 出色的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)能力：線性調(diào)節(jié)率為 3 ppm/V，負(fù)載調(diào)節(jié)率為 8 ppm/mA，能有效減少因輸入電壓和負(fù)載變化而引起的輸出電壓波動(dòng)。

二、REF20xx芯片技術(shù)原理剖析

REF20xx是一款雙輸出的帶隙電壓基準(zhǔn)芯片。其基本帶隙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過對(duì)晶體管(Q_1)和(Q_2)進(jìn)行偏置，使(Q_1)的電流密度大于(Q2)。兩者基極 - 發(fā)射極電壓差((V{BE1}-V_{BE2}))具有正溫度系數(shù)，將其加在電阻(R_5)上，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，得到幾乎與溫度無關(guān)的帶隙輸出電壓。然后，通過兩個(gè)獨(dú)立的緩沖器從帶隙電壓中生成(V{REF})和(V_{BIAS})，并且通過合理設(shè)計(jì)電阻(R_1)、(R_2)和(R_3)、(R4)的大小，使得(V{BIAS}=V_{REF}/2)。

在制造的最后階段，芯片采用了 e - Trim? 方法對(duì)(V{REF})和(V{BIAS})的初始精度和溫度系數(shù)進(jìn)行封裝級(jí)微調(diào)。這種方法能有效減少晶體管固有失配以及封裝成型過程中引入的誤差，從而使芯片的溫度漂移最小化，初始精度最大化。

三、REF20xx芯片典型應(yīng)用案例

1. 低邊電流檢測應(yīng)用

設(shè)計(jì)要求

某系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求為：電源電壓 5.0 V，負(fù)載電流 ±2.5 A，輸出電壓范圍 250 mV 至 2.75 V，最大分流電壓 ±25 mV。

詳細(xì)設(shè)計(jì)過程

• 分流電阻選擇：根據(jù)公式(R{SHUNT(max)}=frac{V{SHUNT(max)}}{I{LOAD(max)}})，已知最大分流電壓為 ±25 mV，負(fù)載電流范圍為 ±2.5 A，可計(jì)算出最大分流電阻為(R{SHUNT(max)}=frac{25mV}{2.5A}=10mOmega)。為了減少溫度對(duì)電阻的影響，應(yīng)選擇低溫度漂移的分流電阻；為了降低偏移誤差，應(yīng)選擇公差最小的電阻，如 Y14870R01000B9W 電阻。
• 差分放大器選擇：所選差分放大器應(yīng)具備單電源（3 V）、參考電壓輸入、低初始輸入失調(diào)電壓((V_{OS}))、低漂移、固定增益以及能夠進(jìn)行低邊檢測（輸入共模范圍低于地）等特性。這里選擇了 INA213 電流 - 分流監(jiān)測器，它的所有特性都滿足該應(yīng)用的要求。相比之下，傳統(tǒng)的儀表放大器（INAs）通常不具備足夠的輸入共模擺幅到地的能力，且需要外部電阻來設(shè)置增益，這對(duì)于低漂移應(yīng)用來說不太理想；差分放大器通常輸入偏置電流較大，在小負(fù)載電流時(shí)會(huì)降低解決方案的精度，且增益調(diào)節(jié)時(shí)使用的外部電阻也不利于低漂移應(yīng)用。
• 電壓基準(zhǔn)選擇：此應(yīng)用要求電壓基準(zhǔn)具有雙輸出（如 3.0 V 和 1.5 V）、低漂移以及兩個(gè)輸出之間低跟蹤誤差的特性。REF2030 芯片非常適合這個(gè)應(yīng)用，它的溫度漂移為 8 ppm/°C，初始精度為 0.05%，能將電壓基準(zhǔn)帶來的誤差降至最低。而且兩個(gè)輸出之間的失配極小，在不同溫度下的跟蹤性能也非常好。

2. 其他應(yīng)用領(lǐng)域

REF20xx芯片還廣泛應(yīng)用于電表、模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、伺服驅(qū)動(dòng)控制模塊、斷路器（ACB、MCCB、VCB）、臨床數(shù)字溫度計(jì)、實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場儀器儀表、電池測試等領(lǐng)域。

四、REF20xx芯片使用注意事項(xiàng)

1. 焊接熱漂移

由于制造 REF20xx 芯片的材料熱膨脹系數(shù)不同，在焊接過程中，器件芯片會(huì)受到機(jī)械和熱應(yīng)力，導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生漂移，影響產(chǎn)品的初始精度。在進(jìn)行回流焊時(shí)，應(yīng)注意選擇合適的印刷電路板（PCB）尺寸、厚度和材料，以減少這種漂移。如果 PCB 需要進(jìn)行多次回流焊，建議將芯片放在第二次回流焊中焊接，以減少其受到的熱應(yīng)力。

2. 靜電放電（ESD）保護(hù)

該集成電路容易受到 ESD 損壞，因此在操作過程中必須采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施。ESD 損壞可能導(dǎo)致芯片性能下降甚至完全失效，特別是對(duì)于精度要求較高的芯片，微小的參數(shù)變化都可能使其無法滿足規(guī)格要求。

3. 電源和布局

• 電源：REF20xx 芯片具有極低的壓差電壓，可在僅比輸出電壓高 20 mV 的電源下工作。建議使用 0.1 μF 至 10 μF 的電源旁路電容，以減少電源噪聲對(duì)芯片的影響。
• 布局：在 PCB 布局時(shí)，應(yīng)在 REF2030 的(V{IN})、(V{REF})和(V_{BIAS})引腳連接低等效串聯(lián)電阻（ESR）的 0.1 μF 陶瓷旁路電容；按照器件規(guī)格對(duì)系統(tǒng)中的其他有源器件進(jìn)行去耦處理；使用實(shí)心接地平面有助于散熱和減少電磁干擾（EMI）噪聲；將外部組件盡可能靠近芯片放置，以防止寄生誤差（如塞貝克效應(yīng)）的產(chǎn)生；盡量縮短參考和偏置連接到 INA 和 ADC 的走線長度，以減少噪聲拾??；避免敏感的模擬走線與數(shù)字走線平行，盡可能避免數(shù)字和模擬走線交叉，必要時(shí)進(jìn)行垂直交叉。

REF20xx系列電壓基準(zhǔn)芯片以其出色的性能和豐富的特性，為電子工程師在設(shè)計(jì)高精度、高穩(wěn)定性的電路系統(tǒng)時(shí)提供了一個(gè)優(yōu)秀的選擇。在使用過程中，只要我們充分了解其特性和注意事項(xiàng)，就能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，設(shè)計(jì)出更加優(yōu)秀的電子系統(tǒng)。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。