【導(dǎo)讀】高精度電壓基準(zhǔn)源是眾多電子設(shè)備和系統(tǒng)的重要組件，其性能的優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。除了高精度這一特性之外，低溫漂、低噪聲、低功耗等特性同樣是電壓基準(zhǔn)源在應(yīng)對各類電子設(shè)備日益嚴(yán)苛要求時的必備要素。
本期視頻將圍繞如何選擇電壓基準(zhǔn)源芯片展開討論，并以納芯微電壓基準(zhǔn)源芯片NSREF3130為例，詳細(xì)分析電壓基準(zhǔn)源誤差對ADC采集系統(tǒng)會產(chǎn)生怎樣的影響。
高精度電壓基準(zhǔn)源是眾多電子設(shè)備和系統(tǒng)的重要組件，其性能的優(yōu)劣直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。除了高精度這一特性之外，低溫漂、低噪聲、低功耗等特性同樣是電壓基準(zhǔn)源在應(yīng)對各類電子設(shè)備日益嚴(yán)苛要求時的必備要素。
本期視頻將圍繞如何選擇電壓基準(zhǔn)源芯片展開討論，并以納芯微電壓基準(zhǔn)源芯片NSREF3130為例，詳細(xì)分析電壓基準(zhǔn)源誤差對ADC采集系統(tǒng)會產(chǎn)生怎樣的影響。(戳這里，觀看視頻)
納芯微的NSREF30/31xx系列電壓基準(zhǔn)源產(chǎn)品，憑借其卓越的性能與穩(wěn)定性，不僅能滿足電子設(shè)備不斷增長的性能需求，更有助于客戶開拓更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。
如何選擇電壓基準(zhǔn)源芯片？
在選擇一顆作為基準(zhǔn)電壓的電壓基準(zhǔn)源芯片時，首先需要從系統(tǒng)架構(gòu)上考慮以下幾個要素：電源電壓、功耗預(yù)算、負(fù)載能力、溫度范圍和封裝尺寸等。
在滿足了系統(tǒng)的基本要求之后，需要進(jìn)一步考慮基準(zhǔn)源芯片的性能參數(shù)是否能夠滿足需求。高精度、低噪聲是電壓基準(zhǔn)源的基本性能要求，在不同的外界環(huán)境變化下，如溫度變化、環(huán)境應(yīng)力變化、時間變化等，基準(zhǔn)源也都需保持穩(wěn)定。這些外部因素都會影響電壓基準(zhǔn)源的性能，因此，有不同的性能參數(shù)用來標(biāo)定基準(zhǔn)源的性能高低，如初始精度、溫度漂移、噪聲、熱遲滯、長期漂移、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、輸入輸出電壓差等。
電壓基準(zhǔn)源的選擇要素
NSREF30/31xx系列的產(chǎn)品優(yōu)勢
納芯微的電壓基準(zhǔn)源NSREF30/31xx產(chǎn)品具有高精度、低溫漂、低噪聲、低功耗特性，該系列包含NSREF30xx和NSREF31xx兩個子系列，每個子系列有6個不同型號，分別對應(yīng)6個輸出電壓選項。每款產(chǎn)品均有車規(guī)和工規(guī)型號，其中車規(guī)級產(chǎn)品滿足AEC-Q100 Grade1的可靠性要求，可在-40～125℃的嚴(yán)苛環(huán)境下工作。
溫度漂移是電壓基準(zhǔn)源最重要的參數(shù)之一，它是由電路缺陷和非線性引起的漂移，往往是非線性的。納芯微電壓基準(zhǔn)源采用了黑盒法（Box method）對溫度漂移進(jìn)行測量和標(biāo)定。
事實上，溫度漂移計算只是基于有限的溫度測量點來測量電壓的最大值和最小值，并沒有考慮這些極值發(fā)生在哪一個溫度點。因此，對于一個非線性的溫漂器件來說，其溫度漂移指標(biāo)并不能用來說明該器件在較窄的溫度范圍內(nèi)，其溫度漂移指標(biāo)會比標(biāo)定的更好。
NSREF30xx系列的溫漂典型值為10ppm/℃，最大值35ppm/℃。NSREF31xx系列的性能更高，溫漂典型值為5ppm/℃，最大值15ppm/℃，能夠保證在全溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度ADC采樣。在其他性能參數(shù)方面，兩個系列的基準(zhǔn)源產(chǎn)品表現(xiàn)同樣卓越。
NSREF30xx和NSREF31xx的溫漂性能表現(xiàn)
低噪聲是NSREF30/31xx系列的另一特色。電壓基準(zhǔn)源輸出電壓噪聲一般表現(xiàn)為低頻1/f噪聲和寬帶白噪聲。在實際應(yīng)用中，寬帶噪聲可通過壓縮帶寬的手段來抑制；而低頻1/f噪聲在應(yīng)用中很難去除，是高精度測量的主要誤差之一。
NSREF30/31xx采用先進(jìn)的工藝及專門的低噪聲設(shè)計，2.5V輸出電壓時的1/f噪聲典型值僅為20μVpp（峰峰值），且噪聲分布相對收斂；1sigma值小于2μVpp，大大降低了低頻噪聲對ADC采樣誤差的影響。在保證低噪聲的前提下，NSREF30/31xx僅消耗140μA（典型值）電流，因此適合工業(yè)現(xiàn)場變送器、電力、便攜式測量設(shè)備等應(yīng)用。
對比表明，在近似的靜態(tài)功耗和溫漂性能下，NSREF30/31xx系列產(chǎn)品的低頻1/f噪聲遠(yuǎn)低于市面上主流產(chǎn)品。
NSREF30xx和NSREF31xx的低頻噪聲性能表現(xiàn)
得益于良好的環(huán)路設(shè)計，在輸入電壓僅比輸出電壓高1mV（典型值）時，NSREF30/31xx即可正常輸出工作電壓（NSREF3012/3112需要最低1.8V工作電壓），對電源（如電池供電）電壓可能出現(xiàn)降低的應(yīng)用場景非常友好。
此外，NSREF30/31xx具有源電流和吸電流能力（典型值±10mA）, 輸出端不接輸出電容也可以穩(wěn)定輸出電壓，不會因所接電容發(fā)生故障或失效而導(dǎo)致器件工作不正常，且能夠支持很寬的環(huán)路穩(wěn)定電容值范圍，從而適應(yīng)不同應(yīng)用電路和場景，拓展了其應(yīng)用范圍。
在實際應(yīng)用中，為了減小電壓基準(zhǔn)源長期漂移對系統(tǒng)精度的影響，通常需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)，但這樣會導(dǎo)致生產(chǎn)率降低等方面的問題。因此，引入長期漂移的性能指標(biāo)對精密系統(tǒng)的設(shè)計尤為重要。
長期漂移是指電壓基準(zhǔn)源輸出電壓隨時間變化的漂移量，基準(zhǔn)源的長期漂移主要是機(jī)械應(yīng)力和老化所致，早期漂移主要由機(jī)械應(yīng)力引入，通常會造成基準(zhǔn)源電壓出現(xiàn)較大的漂移。隨著時間的推移，封裝、焊接和芯片材料越來越穩(wěn)定，漂移量會越來越小。需要注意的是產(chǎn)品手冊標(biāo)定的長期漂移，是指基準(zhǔn)源輸出電壓在前1000小時漂移量而非每1000小時漂移量。
NSREF30/31xx系列在35℃下前1000小時漂移量為100ppm（典型值），前2000小時漂移量為130ppm（典型值）。在估算更長時間的漂移量時，可使用歸一化到1000小時漂移量的平方根公式LTD(h)來計算。
基準(zhǔn)源的長期漂移性能表現(xiàn)
基準(zhǔn)源性能對ADC采集系統(tǒng)影響的分析
結(jié)合上述介紹的性能指標(biāo)，以NSREF3130為例，分析其性能對ADC采集系統(tǒng)的影響。系統(tǒng)誤差通常使用統(tǒng)計公差分析的平方根（RSS）法來計算。表格統(tǒng)計了NSREF3130的誤差項及誤差大小，方程式展示了使用平方根法計算的總誤差，并將基準(zhǔn)源總誤差轉(zhuǎn)換為LSB。本例省略了線性調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率等誤差。由方程式得出，對于12位ADC， NSREF3130的誤差貢獻(xiàn)為13LSB。
NSREF3130對ADC采樣精度的影響
通過系統(tǒng)校準(zhǔn)，可以消除初始精度帶來的誤差，同時溫度漂移和長期漂移改善80%。由計算可得，校準(zhǔn)后的系統(tǒng)中NSREF3130帶來的總誤差僅為2LSB。
系統(tǒng)校準(zhǔn)后NSREF3130對ADC采樣精度的影響
進(jìn)一步拓展應(yīng)用邊界
納芯微電壓基準(zhǔn)源產(chǎn)品NSREF30/31xx系列，憑借其高精度、低溫漂、低噪聲、低功耗等諸多優(yōu)勢，贏得了客戶的高度認(rèn)可與好評。
該系列產(chǎn)品得益于先進(jìn)的制程工藝和獨到的設(shè)計理念，不僅實現(xiàn)了高初始精度，更在低溫漂特性上超越了同類市場產(chǎn)品，確保在全溫度范圍內(nèi)都能保持卓越的采樣精度。
NSREF30/31xx系列電壓基準(zhǔn)源擁有廣泛的應(yīng)用前景，可被應(yīng)用于光伏、工業(yè)自動化、數(shù)字電源、充電樁等多個領(lǐng)域。它為客戶提供穩(wěn)定可靠的性能輸出，助力實現(xiàn)更高效、更精確的數(shù)據(jù)采集和處理，從而幫助客戶進(jìn)一步拓展其應(yīng)用邊界，探索更多可能。
文章來源：納芯微
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