電壓基準(zhǔn)及時(shí)間基準(zhǔn)

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1、01電壓基準(zhǔn)及時(shí)間基準(zhǔn)所有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)都需要一個基準(zhǔn)信號，通常為電壓基準(zhǔn)。ADC的數(shù)字輸出表示模擬輸入相對于它的基準(zhǔn)的比率；DAC的數(shù)字輸入表示模擬輸出相對它的基準(zhǔn)的比率。有些轉(zhuǎn)換器有內(nèi)部基準(zhǔn)，有一些轉(zhuǎn)換器需要外部基準(zhǔn)。不管怎樣所有轉(zhuǎn)換器都必須有一個電壓(或電流)基準(zhǔn)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的最早應(yīng)用是用于緩慢變化信號的直流測量。在這種情況下，測量的精確定時(shí)并不重要。當(dāng)今大多數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中必須處理大量等間隔的模擬采樣值，而且頻譜信息與幅度信息同樣重要，這里涉及到的采樣頻

2、率或時(shí)間基準(zhǔn)(采樣時(shí)鐘或重建時(shí)鐘)與電壓基準(zhǔn)一樣重要。電壓基準(zhǔn)問：一個電壓基準(zhǔn)怎樣才算好?答：電壓基準(zhǔn)與系統(tǒng)有關(guān)。在要求絕對測量的應(yīng)用場合，其準(zhǔn)確度受使用基準(zhǔn)值的準(zhǔn)確度的限制。但是在許多系統(tǒng)中穩(wěn)定性和重復(fù)性比絕對精度更重要；而在有些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中電壓基準(zhǔn)的長期準(zhǔn)確度幾乎完全不重要，但是如果從有噪聲的系統(tǒng)電源中派生基準(zhǔn)就會引起誤差。單片隱埋齊納基準(zhǔn)(如AD588和AD688)在10V時(shí)具有1mV初始準(zhǔn)確度(001%或100ppm)，溫度系數(shù)為15ppm/°C。這種基準(zhǔn)用于未調(diào)整的12位系統(tǒng)中有足夠的準(zhǔn)確度(1LSB=

3、244ppm)，但還不能用于14或16位系統(tǒng)。如果初始誤差調(diào)整到零，在限定的溫度范圍內(nèi)可用于14位和16位系統(tǒng)(AD588或AD688限定40℃溫度變化范圍，1LSB=61ppm)。對于要求更高的絕對精度，基準(zhǔn)的溫度需要用一個恒溫箱來穩(wěn)定，并對照標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。在許多系統(tǒng)中，12位絕對精度是不需要這樣做的，只有高于12位分辨率才可能需要。對于準(zhǔn)確度較低(價(jià)格也會降低)的應(yīng)用，可以使用帶隙基準(zhǔn)。問：這里提到的“隱埋齊納”和“帶隙”基準(zhǔn)是什么意思?答：這是兩種最常見的用于集成電路中的精密基準(zhǔn)?！半[埋”或表層下齊納管比較穩(wěn)定和精確

4、。它是由一個具有反向擊穿電壓修正值的二極管組成，這個二極管埋在集成電路芯片的表層下面，再用保護(hù)擴(kuò)散層覆蓋以免在表面下?lián)舸?，見圖11。圖11表層齊納二極管與隱埋齊納二極管結(jié)構(gòu)圖硅芯片表面和芯片內(nèi)部相比有較多的雜質(zhì)、機(jī)械應(yīng)力和晶格錯位。這是產(chǎn)生噪聲和長期不穩(wěn)定性的原因之一，所以隱埋式齊納二極管比表層式齊納二極管的噪聲小，而且穩(wěn)定得多，因此它被優(yōu)先采用于芯片基準(zhǔn)源上作為精密的集成電路器件。但是隱埋式二極管的擊穿電壓標(biāo)稱值大約為5V或更大一些，而且為了使它處于最佳工作狀態(tài)，必須吸收幾百微安的電流，所以這種方法對于必須工作在

5、低電壓并且具有低功耗的基準(zhǔn)來說是不適宜的。對于這樣的應(yīng)用，我們寧愿用“帶隙”基準(zhǔn)。于是研制出一個具有一個正溫度系數(shù)的電壓用以補(bǔ)償具有負(fù)溫度系數(shù)的晶體管的Vbe，用來維持一個恒定的“帶隙”電壓(見圖12)三極管Q2發(fā)射極面積是Q1的8倍；這兩個管子在R1上產(chǎn)生一個正比于絕對溫度的電流，一個正比于絕對溫度的電壓與Q1的Vbe串聯(lián)，產(chǎn)生電壓VZ，它不隨溫度變化并且可以被放大(見圖12)，這個電壓等于硅的帶隙電壓(外推到絕對零度)。圖12帶隙基準(zhǔn)原理圖帶隙基準(zhǔn)與最好的隱埋齊納基準(zhǔn)相比，其準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性稍微差一點(diǎn)兒，但是溫

6、度特性可優(yōu)于3ppm/°C。問：在使用電壓基準(zhǔn)時(shí)應(yīng)注意些什么問題?答：須記住好的模擬電路設(shè)計(jì)的基本考慮是：注意在高阻抗導(dǎo)體上的電壓降、來自公共地線阻抗的噪聲和來自不適當(dāng)?shù)碾娫慈ヱ町a(chǎn)生的噪聲?？紤]基準(zhǔn)電流流動的方向，并且對容性負(fù)載要多加小心。問：我知道電壓降和噪聲的影響，但是基準(zhǔn)是不是必須向?qū)w電壓降提供足夠大的電流影響才明顯?答：通常基準(zhǔn)電路內(nèi)部是經(jīng)過緩沖的，大多數(shù)情況可流出或流入5～10mA電流。有些應(yīng)用需要這樣大的或更大一點(diǎn)的電流，例如把基準(zhǔn)作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)。另外一種情況是激勵高速閃爍式ADC的基準(zhǔn)輸入，它具有非常低

7、的阻抗。10mA電流流過100mΩ阻抗，產(chǎn)生1mV電壓降，這可能算是比較明顯的了。最高性能的電壓基準(zhǔn)，如AD588和AD688，對于它們的輸出和輸出接地端采用開爾文接法(見圖13)。接線時(shí)應(yīng)靠近誤差源周圍的反饋回路避免電壓降的影響；當(dāng)電流緩沖放大器被用來驅(qū)動許多負(fù)載，或吸收流到錯誤方向的電流時(shí)它們也可修正增益和失調(diào)誤差。檢測端應(yīng)該接到緩沖放大器的輸出端(最好接在負(fù)載上)。問：什么叫開爾文接法?答：開爾文接法(Kelvinconnections)又稱強(qiáng)制與檢測接法(forceandsenseconnections)，是

8、用來消除電路中導(dǎo)線上產(chǎn)生的電壓降影響的一種簡便方法。如圖14(a)所示，負(fù)載電流(IL)和導(dǎo)線電阻(R)在負(fù)載上產(chǎn)生一個電壓誤差，VERROR=R×IL。圖14(b)所示的開爾文接法解決了放大器的強(qiáng)制環(huán)路內(nèi)的導(dǎo)線電阻和檢測的負(fù)載電壓所帶來的問題。放大器對負(fù)載電壓的任何誤差都做了修正。在圖14所示的電路中放大器的輸出電壓實(shí)際上