如何找到正确的电压参考设计详解

2023-09-27 19:23:39 0 0

什么是参考电压

参考电压是指电路中一个与负载、功率供给、温度漂移、时间等无关，能保持始终恒定的一个电压。参考电压可以被用于电源供应系统的稳压器，模拟数字转换器和数字模拟转换器，以及许多其他测量、控制系统。参考电压的大小在不同的应用中有所不同，例如在一般的计算机电源供应系统里，参考电压误差不大于其标称值附近百分之一至百分之几间，而实验室的参考电压标准则拥有更高的、以百万分率度量的稳定性和精确度。

参考电压的基本原理

理想的参考电压源应不受电源和温度的影响，在电路中能提供稳定的电压，“基准”这一术语正说明参考电压源的数值应比一般电源具有更高的精度和稳定性。

一般情况下，可用电阻分压作为参考电压，但它只能作为放大器的偏置电压或提供放大器的工作电流。这主要是由于其自身没有稳压作用，故输出电压的稳定性完全依赖于电源电压的稳定性。另外，也可用二极管的正向压降作为参考电压，它可克服上述电路的缺点，得到不依赖于电源电压的恒定参考电压，但其电压的稳定性并不高，且温度系数是负的，约为-2mV/℃。还可用硅稳压二极管（简称稳压管或齐纳管）的击穿电压作为参考电压，它可克服正向二极管作为参考电压的一些缺点，但其温度系数是正的，约为+2mV/℃ 。因此，以上几种均不适用于对参考电压要求高的场合。于是，在这种迫切的市场需求和设计者的不断努力下，高精度的参考电压源应运而生，并且种类繁多。

为什么需要参考电压

我们以ADC来举例说明为什么需要参考电压。

这个参考电压也叫做基准电压，如果没有基准电压，就无法确定被测信号的准确幅值。例如基准电压为2.5V，则当被测信号达到2.5V时ADC输出满量程读数，使用者就会知道ADC输出的满量程等于2.5V。不同的ADC，有的是外接基准，也有的是内置基准无需外接，还有的ADC外接基准和内置基准都可以用，但外接基准优先于内置基准。

如何找到正确的电压参考设计

在您努力想要找到正确的电压参考设计时，高分辨率混频信号器件会带来一个有趣的挑战。尽管没有一款适合所有电压参考设计的通用解决方案，但是图 1 所示电路还是为您的 16 位以上的转换器提供了一款不错的解决方案。

图 1 16 位以上ADC电压参考电路

高分辨率转换器存在的一些问题是电压参考噪声、稳定性，以及该参考电路驱动转换器电压参考引脚的能力。R1、C2 和 C3 无源滤波器随电压参考噪声急剧下降。这种低通滤波器的转角频率为 1.59Hz。该滤波器可减少宽带噪声和极低频噪声。附加 R-C 滤波器使噪声水平降至20位ADC的可控范围以内。这一结果令人鼓舞。但是，如果电流受到拉力，从 ADC 参考引脚流经 R1，则压降会破坏转换，因为每个位判定（bit decision）都有一次压降（请参见参考文献 1）。

图 1 所示电路图有一个运算放大器（op amp），旨在“隔离”C2、R1 和 C3 低通滤波器，并为 ADC 的电压参考引脚提供足够的驱动力。25℃ 时，CMOS 运算放大器（OPA350）的输入偏置电流为 10 pA。这一电流与 R1（10 kΩ）共同产生一个 100 nV 的恒定 DC 压降。这种水平的压降不会改变 23 位 ADC 的最终位判定。运算放大器的输入偏置电流随温度变化而改变，这是实际情况，但在 125℃ 温度下您可以预计一个不超过 10 nA 的最大电流值，其在 100℃ 温度范围产生 100 μV 的变化。

我们需要将 R1 的这种压降考虑进来。该压降会增加电压参考器件的误差。假设电压参考电路的初始误差为 ±0.05%，且误差温度为 3 ppm/℃。参考电压为 4.096 伏时，室温下初始电压参考误差等于 2.05 mV，125℃ 时增加 1.23 mV。图 1 所示电路中，随着运算放大器偏移和输入偏置电流误差的变化，参考电压器件占主导地位。连接至图 1 所示电路的 ADC，承受的误差是参考电压、R1 和 OPA350（增益误差）所产生误差的和。

运算放大器驱动一个10 μF 电容器（C4）和 ADC 的电压参考输入引脚。位于 C4 上的电荷提供 ADC 转换期间所需的电荷。在 AD C的数据采集和转换期间，C4 容量的大小为 ADC 的参考引脚提供一种恒定的电压参考，其通常具有约 2 到 50 pF 的输入电容。

图 1 所示电路中，需要注意的最后一点。C4 和运算放大器开环输出电阻（RO）改变放大器的开环增益（AOL）曲线时，您可以对放大器的稳定性做折中处理。参考文献 2 中的讨论说明了找出这一问题的过程。基本上而言，具有较好稳定性的电路是改进运算放大器 AOL 曲线和闭环电压增益曲线的闭合速率为 20dB 的电路。