提高參考電壓穩(wěn)定性以提高系統(tǒng)精度

每當(dāng)您衡量某物時(shí)，您都需要一個(gè)參考來(lái)衡量。在測(cè)量電壓的電子系統(tǒng)中——無(wú)論是數(shù)字萬(wàn)用表 （DMM） 等通用儀器、測(cè)量電阻器上的電壓降以確定電流的電路，還是測(cè)量特定類型輸出電壓的傳感器接口傳感器 - 您需要一個(gè)電壓參考來(lái)確保您的測(cè)量值是正確的。

在測(cè)量系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 將輸入電壓與參考電壓進(jìn)行比較，并生成表示輸入信號(hào)與參考電壓之間關(guān)系的代碼。參考電壓中的任何誤差都會(huì)直接導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。

當(dāng)我們?yōu)樘囟üδ苓x擇電壓基準(zhǔn)時(shí)，我們通常首先關(guān)注幾個(gè)頂級(jí)精度規(guī)格：初始精度（室溫下的精度）和溫度系數(shù)（輸出電壓的變化作為溫度）。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如果我們需要電壓基準(zhǔn)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的總精度為 ±0.2%，我們可能會(huì)選擇初始精度為 ±0.1% 且溫度系數(shù)為 ±10ppm/°C 的基準(zhǔn)電壓源。在 25°C 和 125°C 之間，溫度系數(shù)可以變化 10ppm/°C x 100°C，或 1000ppm （0.1%），因此我們可以預(yù)期總誤差（初始 + 漂移）小于 ±0.2%。

為了改善總誤差，我們可以選擇具有更小初始誤差和/或溫度系數(shù)值的更高精度電壓基準(zhǔn)。改進(jìn)的規(guī)格是更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)技術(shù)的結(jié)果。然而，隨著精度的提高，還有一些額外的誤差源變得明顯。在高性能系統(tǒng)中變得至關(guān)重要的是長(zhǎng)期漂移 （LTD）。您可以在大多數(shù)電壓參考數(shù)據(jù)表中找到列出的 LTD 規(guī)格。這些通常顯示運(yùn)行 1，000 小時(shí)后的典型漂移。造成 LTD 的原因有多種，但主要原因是電路板組裝過(guò)程中對(duì)封裝產(chǎn)生的應(yīng)力。由于暴露在高溫下，塑料 IC 封裝會(huì)稍微改變形狀，這會(huì)對(duì)電壓基準(zhǔn)芯片施加壓力。隨著裝配應(yīng)力在數(shù)小時(shí)內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)，電壓基準(zhǔn)的輸出會(huì)發(fā)生變化。變化的程度取決于電路設(shè)計(jì)、布局、封裝和其他因素，通常在 10 ppm 的量級(jí)。

圖 1 顯示了典型電壓基準(zhǔn)的 LTD。如您所見(jiàn)，在非常高精度的測(cè)量系統(tǒng)中，LTD 可能大到足以隨著時(shí)間的推移影響精度。組裝后立即進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)可以提高系統(tǒng)的初始精度，但會(huì)在數(shù)周和數(shù)月內(nèi)發(fā)生變化。

有一些方法可以改善校準(zhǔn)后的 LTD。您可以在校準(zhǔn)前在電路板上燒幾個(gè)月，但這種方法的實(shí)用性有限。另一種方法是讓電路板在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成一個(gè)或兩個(gè)溫度循環(huán)，這通常有助于應(yīng)力更快地穩(wěn)定下來(lái)。

在 IC 制造方面，電壓基準(zhǔn)芯片可以內(nèi)置到比傳統(tǒng)塑料封裝更穩(wěn)定的封裝中。陶瓷封裝的組裝后彎曲程度遠(yuǎn)低于塑料封裝，因此可以顯著改善 LTD。圖 2 顯示了這種陶瓷封裝的一個(gè)示例。與早期的陶瓷封裝相比，后者往往大得不切實(shí)際，3mm x 3mm 的尺寸與需要小元件的密集電路板兼容。

使用改進(jìn)的包的效果是驚人的。圖 3 顯示了與圖 1 相同的電壓基準(zhǔn) IC（工作電路在左側(cè)），但安裝在新的陶瓷封裝中。LTD（如圖右側(cè)所示）顯然要好得多。

概括

準(zhǔn)確和穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)對(duì)高性能測(cè)量系統(tǒng)至關(guān)重要。LTD 可以通過(guò)在緊湊的陶瓷封裝中安裝電壓基準(zhǔn)來(lái)提高，從而在較小的占位面積內(nèi)提高系統(tǒng)性能。

審核編輯：郭婷