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如何使用基准电压源以确保准确稳定的数据转换如何使用基准电压源以确保准确稳定的数据转换
为了充分利用物联网 (IoT),人们希望更快、更有效地连接模拟和数字世界。在这股热潮中,人们极易忽略基准
电压源所发挥的关键作用,然而此举甚不明智。基准电压是模数转换器 (ADC) 和数模转换器 (DAC)“判断”模拟
输入值和输出值的主要标准,有助于确保信号和数据转换的精度,但前提是基准电压源选择适当且应用得当。
为了充分利用物联网 (IoT),人们希望更快、更有效地连接模拟和数字世界。在这股热潮中,人们极易忽略基准电压源所发挥
的关键作用,然而此举甚不明智。基准电压是模数转换器(ADC) 和数模转换器(DAC)“判断”模拟输入值和输出值的主要标准,
有助于确保信号和数据转换的精度,但前提是基准电压源选择适当且应用得当。
本文简要说明基准电压源的结构和特性,并介绍基准电压源的选型。本文以Analog Devices的ADR43x系列为实例介绍基准电
压源,说明新型电压基准的各种特性、增强功能及性能,以便设计人员善加利用以充分发挥其优势。此外,本文还将展示
ADR43x 器件的应用方法,如何将其保持在可接受限值范围内,从而使 ADC、DAC 和系统作为一个整体来充分发挥潜力。发
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基准电压源的关键作用
基准电压源的基本形式是一个三端子器件,分别连接电源轨、接地(公共)和精密输出电压(图 1)。如果基准源选型或应用
不当,就会获得不准确的基准电压,从而影响转换器输出的有效性和可信度。
图 1:基准电压源的基本形式是连接输入电压、输出基准电压和接地(公共)的三端子器件,图中所示为 Analog Devices 的
LT6656系列中的LT6656AIS6-2.5器件。(图片来源:Analog Devices)
根据标称输出电压、精度和容差及其他参数选择合适的基准源后,设计人员所面临的挑战在于如何使用该基准源使指定性能完
全满足应用要求,而不降低器件的性能。这一点的重要性不容小觑。如上所述,基准电压是 ADC 在将电压信号数字化时判断
模拟输入电压的主要标准。而对于 DAC 而言,稳定可靠的基准电压源能让转换器生成与输入数字代码相对应的精确模拟输出
电压。
基准源选型
固态基准电压源主要采用三种常用技术:掩埋齐纳二极管、利用晶体管Vbe的带隙基准电压源,以及 Analog Devices 的
XFET®配置,其中使用两个结型场效应管(JFET) 串联工作(美国专利号 5,838,192)。
虽然基准电压源设计人员可能会讨论各种方法之间的细微差别和各自属性(理由充分),但对于大多数基准电压源用户而言,
重点仍在于性能、利弊权衡、应用和成本问题。本文采取的亦是这种观点。
由于所使用技术的器件基本物理特性,基准电压源的内部核心基准电压值可能比较“怪异”,但是基准电压源的内部电路设计旨
在确保输出电压与转换器分辨率匹配良好,并且能够满足系统需求。
例如,许多基准源以系列产品上市,除输出电压值有所不同外,器件的其他性能均相同。可选择的输出电压值如 2.048 V、
2.5 V、3.0 V、4.096 V 和 5.0 V。其中,2.048 V 和 4.096 V 基准电压能够“均匀”地映射到转换器分辨率,因此这两种规格最
为常用;例如,使用 4.096 V 基准源的 12 位转换器的标称比例为 1 mV/离散间隔数。
初始基准精度以百分比或毫伏为单位标定;精度差异可能较大,因为某些应用的精度要求比其他应用高。通常,精度越高,实
现和维持精度的难度越大;就典型基准源规格而言,最大误差为 ±0.1%(所有情况下适用)。然而,基础拓扑学与工艺技术
的进步使得这一规格得以改进。例如,4.096 V 的 ADR434 基准源采用 XFET 技术,初始精度为 ±5 mV(A 后缀)或 ±1.5
mV(B 后缀)。
不过,对许多应用而言,基准源的稳定性和长期一致性比绝对精度更为重要。原因可能在于数字信号可进行后续校正;或是相
较于绝对精度,比较结果及信号转换更为重要,而这两者都受基准源稳定性直接影响。因此,选择基准源时必须在所需的绝对
精度与稳定性之间进行权衡,并考虑如何保持稳定性。
考量稳定性因素时还需深思熟虑。是否仅作短期使用,例如简单试验时用于获取数据?或是长期数据采集,期限超过一年或更
长时间?每个项目启动之前,设计人员都必须回答这些问题。
外部基准源对比内部基准源
另有一个更基本的问题:您需要配置独立外部基准源吗?Analog Devices 的AD7605-4BSTZADC 等转换器具有内部基准电压
源,可节省电路板空间和物料清单 (BOM)(图 2)。此外,从规格书可知,该器件具有完全特性化的 ADC 读数精度,因为基
准源的性能表现为转换器 IC 整体性能的一部分。
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