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几款经典高性能电压基准比较分析,寻求性能和特点优化的解决方案

最新更新时间:2021-10-12 16:25
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在这个模拟的世界里,无论汽车、微波炉还是手机,所有电子设备都必须以某种方式与“真实”世界交互,电子设备必须能够将真实世界映射到电子世界中的可测的量(电压)。要测量电压,你需要一个衡量标准,该标准就是基准电压。


长期以来,在所有可用的电压基准类型中,带隙电压基准因其特点与性能的组合,一直是最佳的选择。但与掩埋式齐纳基准相比,它们并未始终提供最佳的性能。或者,带隙架构使得设计具备众多有用特点的基准成为可能,包括低压差、宽温度范围、低功率、小尺寸、宽工作范围和宽负载电流能力。

电压基准源的作用:将数据采集与真实世界进行关联


这些特点催生了大量的精准型 LDO 稳压器和高精度电压基准。随着时间的过去,带隙基准的性能有所改善,并在某些场合中超越了掩埋式齐纳基准的稳定性和噪声,同时保持了源于不断增加之特点的灵活性。本文将介绍几款经典的电压基准,并对其性能进行比较分析。


高阶温度补偿确保低且可预知的输出电压误差



下图示出了温度特性,曲线图示出了一个 1ppm/°C 的方框。在宽温度范围内,LT6657 的输出电压完全处于该方框之内,这容许在自动化生产中测试 1.5ppm/°C 规格指标。LT6657 在 -40°C 至 125°C 的温度范围内规定了低漂移,在整个温度范围内提供了 <250ppm 的最大保证误差。


高阶温度补偿在整个温度范围内保持了低且可预知的输出电压误差,而最先进的制造工艺则在器件之间和批次之间提供了一致的性能。为了确保装运的每个 LT6657 都满足这种高性能水平,LT6657 的温度系数由 100% 的五温度测试提供保证。

 

LT6657输出电压温度曲线


可以做个比较,LTC6655 一直是市面上性能最高的带隙电压基准之一。其在 -40°C 至 125°C 的范围内 2ppm/°C 的漂移指标优于几乎任何其他电压基准产品。和 LT6657 一样,该性能指标难以在试验台上测试,而且要在制造过程中予以保证,是难以置信挑的战性。


许多相似的产品可能通过特性分析或样片测试来保证稳定性,而 LTC6655 则利用 100% 的三温度测试提供保证。制造过程中的这种谨慎度显示了生产真正的高稳定性产品所必须保持的质量水准。与 LTC6655 相比,LT6657 更加稳定,1.5ppm/°C 漂移,而且该性能是利用 100% 的五温度测试给予保证的。


除了实验室仪表之外,这还为汽车和扩展温度工业应用提供了新的精准水平。在整体稳定性上增加的是低的热迟滞和卓越的长期稳定性,这些是衡量系统随着时间推移和温度循环将在规格限定的范围内保持何等水平。测试验证表明,随着时间推移和温度循环所产生的漂移是很低而且一致。当这些特性表现良好时,可比较容易地在产品使用期限内预测漂移。


几款基准电压源的噪声特性比较



采用 LT6657 时,噪声性能与某些最佳的低噪声掩埋式齐纳基准不相上下——LT6657 的噪声仅为 0.5ppm,特别适合许多高动态范围系统。对于一个 2.5V 基准,LT6657 在 0.1 至 10Hz 范围内仅产生 1.25μV 峰至峰噪声。宽带噪声也很低,至 1kHz 为 0.8ppm RMS。


前面提到了LTC6655引人注目的稳定性,除此之外,LTC6655 还拥有无可比拟的噪声性能,从而使其有别于其他的高稳定性带隙电压基准,包括 LT6657。LTC6655 在 0.1 至 10Hz 具有 0.25ppm 峰至峰噪声,为高动态范围测量提供了所需的低噪声层。值得一提的是,虽然 LTC6655 具备高精度和世界领先的噪声性能,以及许多非常好的特性,但这些是以牺牲一定的灵活性为代价的。

LTC6654、LTC6655和LT6657主要性能比较


特别地,相比于 LT6654 等产品,LTC6655 的输入电压范围和输出电流范围是受限的。在带隙基准中可提供众多特性的一个例子是 LT6654。该 10ppm/°C 电压基准是一款极佳的通用型产品,其性能足以满足广泛应用的要求,并拥有使其可兼容几乎任何应用的众多特点。


LT6654 的特点包括低漂移、低噪声、低压差和至 36V 的宽电源范围、宽温度范围、低的热迟滞和优良的长期稳定性、卓越的电压和负载调节性能、以及 7 种可用的输出电压选项。该器件是坚固的,具有 10mA 的负载电流供应和吸收能力,以及过流和热限制电路。


LT6654输出阻抗很低,针对有可能由于环境条件或大电流注入等测试而出现在应用电路中的干扰提供了良好的抑制。这些特点允许其在低电压或高电压系统中使用,具备给传感器或信号调理电路施加偏置的能力,同时保持一个精准的输出电压。


电压基准需要性能全面评估产品性能



电压基准常常因为追求更高的性能,必须在众多特性之间做出设计上的权衡优化选择,难免可能缺乏灵活性和兼容性,如何提出更具针对性的产品是解决方案提供商需要考虑的。综合而言,LT6657在很多方面是“优选”。


除了高稳定性和低噪声之外,LT6657 还增添了许多特点。与ADI的大多数电压基准产品一样,LT6657整个频率范围内的输出阻抗是很低,这减轻了负载随频率而发生之变化所产生的影响,有助于防止信号对基准实施反馈并引起干扰、误差或噪声。这对于在驱动一个高性能模数转换器时的基准稳定,或安然经受汽车系统中的大电流注入等运行测试,这也是至关紧要的。


LT6657 还拥有强大的驱动能力。负载电流范围为 10mA (供应和吸收),负载调节误差小于 1ppm/mA,而且 LT6657 拥有过流和热保护功能,以避免器件在故障情况下受损。LT6657 可用于对多种传感器施加偏置,驱动难对付的 ADC 基准输入,驱动多个 ADC 和 DAC,或为一个具有基准级精度的小型子系统供电。


从对比图可容易地看到:LT6657 拥有可媲美任何可用电压基准的性能,具有丰富齐全的功能特性。除了电压基准共有的特点之外,LT6657 还具备更多的几项优势,包括针对反向电源和反向输出的保护功能,从而可在艰难的环境中提供更加稳健的性能。这些特点在 LDO 电源中是经常看到的,但是在精准型产品中则并不常见。


最后,LT6657 可充当一个并联以及串联基准。并联模式操作使得可以容易地配置一个负电压基准,采用一个非常高的电源电压工作,或改进某款较旧的设计以提供更好的性能。


总之,LT6657 拥有高精度、低噪声和高稳定性,以及由其众多特点所提供的灵活性。LT6657 具备的其他特点和性能与区别制造相结合,一定会使其成为许多应用电路的最佳选择,包括实验室测试设备、自动化测试、甚至汽车和工业系统,在此类应用中,高性能与众多特点的组合使其能兼容于众多的系统要求。

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