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打破电压基准传统壁垒 带隙电压基准“后来居上”

2019-05-24来源: EEWORLD关键字:带隙电压

经过几十年的IC和应用开发,以及一代又一代的性能优化,让现代数据采集和信号发生系统变得复杂又精细,ADC、DAC、滤波器等电路的性能已经推向了极限。其中作为关键电路单元的电压基准常常因为追求更高的性能,必须在众多特性之间做出设计上的权衡优化选择,难免可能缺乏灵活性和兼容性,如何提出更具针对性的产品是解决方案提供商需要考虑的。

 

产生基准电压的目的是建立一个与电源和工艺无关,具有确定温度特性的直流电压。要实现基准电压源所需解决的主要问题是如何提高其温度抑制与电源抑制,即如何实现与温度有确定关系且与电源基本无关的结构。由于在现实中半导体几乎没有与温度无关的参数,因此只有找到一些具有正温度系数和负温度系数的参数,通过合适的组合,可以得到与温度无关的量,且这些参数与电源无关。对此,以高性能模拟技术领先的ADI通过打造丰富的解决方案组合,帮助工程师更方便的选择最合适的产品电压基准产品。

 

超越深埋齐纳基准,带隙电压基准“后来居上”

 

长期以来,市面上精确度最高和最稳的系统一直是使用深埋式齐纳基准设计的,其低漂移、高稳定性和低噪声使系统既能够提供很大的动态范围,又具备良好的稳定性。然而,齐纳基准一般不适合大多数新系统。齐纳基准常常要很高的电源电压才能运行,而且很多采用齐纳基准的设计都仅针对特定系统而优化,,例如电源电压高于10V可用电路板面积很大以及负载阻抗已经完全了解的系统。对很多新设计而言,,这样的设定很难适用。此外,采用齐纳架构的基准一直以来发展缓慢,因此极少提供常用且低于5V的基准电压。

 

相比之下,性能略逊但不断发展的带隙电压基准因其特点与性能的组合渐渐成为了业界的最佳选择。带隙基准(Bandgap voltage reference,常简称为Bandgap),最经典的带隙基准是利用一个与温度成正比的电压与一个与温度成反比的电压之和,二者温度系数相互抵消,实现与温度无关的电压基准。

 

相比之下,要获得综合优点和性能,带隙电压基准一直是最佳选择。与齐纳架构相比,带隙架构尽管牺牲了一些稳定性,却有可能用来设计出具备很多优点的基准,例如低压差、宽温度范围、低功率、小尺寸、宽工作范围和宽负载电流范围等优点,因而市场上已经产生了大量高性能LDO稳压器和精确的电压基准。相对低的、约为1.2V的带隙电压为设计提供各种电压的产品带来了方便,包括1.25V、2.048V、2.5V、3V、3.3V、4.096V、5V 和10V。另外,这样的带隙电压还允许用仅比输出电压高几毫伏的电源运行

 

ADI公司旗下电源品牌Power By Linear推出的一款高精度电压基准LT6657,将稳健的工作特性与极低的漂移和低噪声组合在一起,新的架构、工艺和制造方法进一步推进了精确度和稳定性的极限。在某些场合中,其稳定性和噪声超越了深埋式齐纳基准。本文将详细介绍LT6657的应用。

 

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带隙电压基准LT6657, “多合一”打造高精度

 

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LT6657 是一款高精度电压基准,其把稳健的工作特性与极低的漂移和低噪声组合在一起。利用先进的曲率补偿,该带隙基准实现了 1.5ppm/°C 的漂移和可预知的温度运行方式、以及一个 0.1% 的初始电压准确度。另外,它还提供了 0.5ppmP-P 噪声和非常低的温度循环迟滞。

 

此外,LT6657 还是一款低压差基准,可采用仅比输出电压高 50mV (高达 40V) 的电源来供电。缓冲输出支持 ±10mA 的输出驱动 (在低输出阻抗条件下) 和精准的负载调节性能。高的电流吸收能力允许其用作一个负电压基准,而精度则与正基准相同。该器件在电池反接的情况下是安全的,并内置了在输出短路保护和过载热停机功能电路。T6657还包括一种停机模式,以在降低功耗的同时实现快速接通。值得一提的是,T6657 具有在 –40℃ 至 125℃的全规格温度范围。

 

还有一点值得强调的是,在0.1Hz至10Hz范围内,就一个2.5V基准电压而言,LT6657仅产生1.25μV峰值至峰值噪声。LT6657噪声非常低,仅为 0.5ppm,媲美某些最佳的低噪声掩埋式齐纳基准。这一点很重要,尽管当前市面上的很多系统对温度或老化等长期漂移并不敏感,然而要求的噪声却非常低。此外,宽带噪声也很低,为0.8ppm(2μV)RMS,直至1kHz。该器件的低噪声使其非常适合要求大动态范围和非常低噪声的系统。一个5V满标度输入的20位转换器具仅为4.8μV(~1ppm)的LSB,这说明了这种低嗓声的重要性。

 

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除了低温度漂移、高稳定性和低噪声,LT6657还有进一步的优点——仅需要50mV电压空间就可运行。无DC负载时,可用不到2.6V的电源给一个2.5V基准供电,或者在有很重的DC负载电流时,可用不到3V的电源供电。在电压调节误差低于1ppm/V和纹波抑制非常出色的情况下,电源范围可扩展到40V,从而能够灵活地用几乎任何可用电源给基准供电,这与齐纳基准相比是一个突出的不同之处。

 

在驱动能力能力方面,LT6657可提供和吸收高达10mA负载电流,且负载调节误差低于每亳安1ppm。这种负载驱动能力使LT6657能够偏置各种传感器、驱动难以驱动的ADC基准输人、驱动多个ADC和DAC,或者以基准级精确度给小型子系统供电。这种很少被利用的能力可帮助系统设计师在一些小型数据采集系统中合并电源和基准功能,充分利用电路板面积和功耗。另外,ADC或DAC的电源和基准使用相同的电压是比较理想的情况,LT6657的小型MSOP封装也进一步节省了空间。最后,LT6657 还可充当一个并联以及串联基准。并联模式操作使得可以容易地配置一个负电压基准,采用一个非常高的电源电压工作,或改进某款较旧的设计以提供更好的性能。

 

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典型应用之一:扩展电源范围的基准电压源

 

本文总结:

 

低漂移、低噪声、低压差和宽电源范围、宽温度范围这些都是基准电压的重要特性,也是ADI打造的LT6657关键特性,此外拥有低的热迟滞和长期稳定性、卓越的电压和负载调节性能以及 7 种可用的输出电压选项,让LT6657充分满足现代数据采集和信号发生系统既复杂又精细的要求。特别是在实验室测试设备、自动化测试、甚至汽车和工业系统,在此类应用中,高性能与众多特点的组合使其能兼容于众多的系统要求,避免必须在精确度和众多优点之间做出两难的取舍,满足系统设计的灵活性和兼容性。

 


关键字:带隙电压

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