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如何使用參考電壓以確保準確穩定的數據轉換

作者:Bill Schweber

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

市場急於以更快速且有效的方式連接類比與數位世界,以便加以利用物聯網 (IoT) 的優勢,因此很容易忽略參考電壓的關鍵角色,這很不明智。類比數位轉換器 (ADC) 及數位類比轉換器 (DAC),將參考電壓當作「判斷」類比輸入與輸出值的主要標準。參考電壓可協助確保準確的訊號與數據轉換,但前提是要選擇正確的電壓且適當使用。

本文將概略說明參考電壓的結構與特性,並說明選擇參考電壓的方法。本文將以 Analog DevicesADR43x 系列為範例來介紹參考電壓,以圖示說明現代參考電壓的各種不同特性、強化功能與特色,以便設計人員善加利用,充分發揮其優勢。同時,本文還會說明如何應用 ADR43x 元件,使其保持在可接受的限度內,以便將 ADC、DAC 與系統當作一個整體,發揮完全的潛力。

參考電壓的關鍵角色

參考電壓的基本形式為三端子元件,分別連接電軌、接地 (共模),以及精準輸出電壓 (圖 1)。不適用或不當使用的參考電壓都會變得不準確,且會損害轉換器輸出的有效性與可信度。

Analog Devices 的 LT6656 系列中 LT6656AIS6-2.5 元件示意圖圖 1:參考電壓的基本實作為三端子元件,分別連接輸入電壓、輸出參考電壓以及接地 (共模),在此顯示為 Analog Devices 的 LT6656 系列中的 LT6656AIS6-2.5 元件。(圖片來源:Analog Devices)

一旦設計人員參照標稱輸出電壓、準確度、容差以及其他參數選擇合適的參考電壓,接下來的難題便在於如何使用此參考電壓,使指定的效能完全符合應用需求,且不會損及元件的表現。這一點的重要性不容小覷。如前文所述,參考電壓是 ADC 在對電壓進行數位化時,用來判斷類比輸入電壓的主要標準。以 DAC 的例子來說,穩定且可靠的參考電壓,可讓轉換器產生與輸入數位碼相對應的準確類比輸出電壓。

選擇參考電壓

固態參考電壓最常使用的三種技術分別是:掩埋齊納二極體、使用電晶體 Vbe 的能隙參考電壓,以及 Analog Devices 的 XFET® 配置,其中有兩個串聯工作的接面型 FET (美國專利號碼 5,838,192)。

參考電壓設計人員可能會探討各種方法的微小差異及屬性 (且都言之有物),但對於多數參考電壓使用者來說,關注點反而是在小能、取捨、應用與成本考量上。這便是本文採取的觀點。

雖然參考電壓的內部核心參考,可能因採用技術的底層元件物理屬性,而變成「奇怪」的數值,但是參考電壓的設計中包含內部電路,可確保輸出電壓適當地配合轉換器解析度以及系統需求。

舉例來說,許多參考電壓以一系列相同元件的形式提供,並有 2.048 V、2.5 V、3.0 V、4.096 V 與 5.0 V 等不同輸出值可供選擇。2.048 V 和 4.096 V 版本的使用很方便,因為兩者可「均勻地」對應到轉換器解析度;例如採用 4.096 V 參考電壓的 12 位元轉換器,每轉換計數擁有 1 mV 的標稱標度。

初始參考電壓準確度以百分比或 mV 標示,並且由於有些應用需要的準確度大於其他應用需求,因此準確度的變化極大。一般來說,準確度越高,就越難達到且維持;典型的參考電壓規格是:在所有條件下,最大誤差為 ±0.1%。然而,底層拓樸及製程技術的演進,已讓此種規格得以改進。舉例來說,4.096 V 的 ADR434 參考電壓採用 XFET 方法,且指定的初始準確度為 ±5 mV (A 尾碼) 或 ±1.5 mV (B 尾碼)。

然而,還有許多應用將絕對準確度的重要性,排在參考電壓穩定度和長期一致性之後。其原因可能在於,數位化的資料可在後續進行修正,或是絕對準確度的重要性不如比較性的結果及其變化,而這兩者都受到參考電壓穩定度的影響。因此,選擇參考電壓時,必須比較並評估絕對準確度與穩定度的需求,以及如何維持該穩定度。

此穩定度因素的考量不容小覷。是用於短期使用,例如在短暫實驗中擷取數據嗎?還是用於一年或以上的長期數據採集呢?在開始各項專案之前,設計人員都必須回答這些問題。

外部參考電壓與內部參考電壓的比較

還有一個更基本的問題:您確實需要獨立的外部參考電壓嗎?以轉換器為例,Analog Devices 的 AD7605-4BSTZ ADC 隨附內部參考電壓,可節省電路板空間以及物料清單 (BOM) 中的項目 (圖 2)。此外,規格書可提供完全特性化的 ADC 讀取準確度相關規格,因為參考電壓的效能已成為轉換器 IC 整體效能的一部分。

Analog Devices 的 16 位元 AD7605-4BSTZ 示意圖 (按此放大)圖 2:許多 ADC 如 16 位元的 AD7605-4BSTZ 一樣,都隨附內部參考電壓。除了節省空間並減少 BOM 清單項目數量,這也能簡化誤差預算分析,因為參考電壓的效能已經納入轉換器整體規格。(圖片來源:Analog Devices)

然而,就算轉換器核心適用,內部參考電壓可能仍無法提供所需的效能,因此多數轉換器都可連接到外部參考電壓。請注意,應用特定性較高且非常注重成本的轉換器 (例如用於低端音訊通道的轉換器),其內部轉換器可能已符合目標標準,因此就不需要外部參考電壓。儘管如此,由於內部參考電壓的效能可能與其相關轉換器的規格相當,因而會認為任何外部參考電壓都可自動提供比內部參考電壓更好的結果,這是過於簡化的說法。

即使內部參考電壓已經夠用,仍有一個應考慮使用外部參考電壓的理由。在包含多個轉換器 IC 的設計中,個別的內部參考電壓可能會互異,或不是以相同方式來彼此追蹤。最後得到的資料會出現不一致,這全是由於參考電壓間的差異所致,這會讓資料的關聯變得困難,出現無法修正的誤差。

為此,對於包含多個轉換器的高效能系統,一般來說最好是採用單一的共用外部參考電壓。然而,這麼做會產生諸多疑慮,例如參考電壓能否在不降低其基本效能的條件下,「驅動」多個轉換器?我們將會在下文探討這種疑慮。

維持參考電壓的效能

除了初始準確度以及容差規格,參考電壓還有必須要解決的問題,才能確保效能保持在可接受範圍內。這些問題包括:

  1. 佈局問題,包括壓降和雜訊
  2. 輸出驅動 (流出/流入)、載入緩衝、暫態效能
  3. 短期穩定度與溫度相關的漂移
  4. 因為老化、物理應力和封裝造成的長期漂移

1.佈局問題,包括壓降和雜訊:如同任何敏感性類比訊號,即便是提供靜態電壓的訊號,在參考輸出與轉換器之間都可能有過多電流-電阻 (IR) 壓降。雖然多數參考負載較小 (數十 mA),但就算是最一般的10 mA 負載,通過 100 mΩ 電阻時都會產生 1 mV 的壓降,這可能會對預算造成明顯的誤差。

ADR43x 系列參考電壓能克服這個問題,其在開爾文接法設定中,將電線電阻加入外部運算放大器的強制迴圈內 (圖 3)。放大器感測負載端的電壓,因此運算放大器的迴圈控制會迫使輸出補償電線誤差,以此在負載端產生正確的電壓。

Analog Devices 的 ADR43x 示意圖圖 3:ADR43x 系列中的元件可透過外部運算放大器來設定開爾文連接,使得參考輸出與轉換器參考輸入連接間的任何 IR 壓降,成為回授迴路的一部分,然後針對損失進行修正。(圖片來源:Analog Devices)

由於負載雜訊、接地 (共模) 雜訊、從解耦不足的電軌接收到的雜訊等因素,外部雜訊也會影響參考電壓,就跟轉換器的情況一樣。此外,參考電壓也有低頻 (0.1 Hz 至 10.0 Hz) 和高頻 (10 Hz 至 25 kHz) 內部雜訊,這些也必須進行評估。ADR43x 系列之類的高效能參考電壓,擁有的峰對峰 (p-p) 低頻雜訊低於 3.5 μV,而且也有高頻雜訊,大約為 200 μV (峰值,10 Hz 至 10 kHz)。

ADR431BRZ-REEL7 的雜訊密度光譜如圖所示 (圖 4)。對不同的電容性負載來說,負載曲線相對平坦直至 1 kHz 左右,接著便開始上升;在電容性負載為零時,曲線始終平坦。

ADR431BRZ-REEL7 的雜訊密度對頻率的比較圖圖 4:在不同電容性負載下,ADR431BRZ-REEL7 的雜訊密度對頻率的曲線保持相對平坦直至 1 kHz 左右,接著便開始上升;在電容性負載為零時,曲線始終平坦,並隨著負載增加而更快速地上升。(圖片來源:Analog Devices)

減少雜訊最常見的策略是增加簡易的電阻-電容 (RC) 濾波器。不過,許多參考電壓擁有輸出放大器,若使用大型電容負載,會變得不穩定且振盪,因此不會選擇將數 µF 的大型電容連接到輸出端,除非有專為此設計的參考電壓。以 ADR43x 元件來說,如果這種高頻雜訊依然超出要求,那麼可在參考電壓的基本連接中補充簡易的 RC 濾波器 (圖 5)。

ADR43x 參考電壓的基本連接圖圖 5:ADR43x 參考電壓的基本連接僅需少數的被動外部元件,其中兩個電容在輸入端,一個基本的 0.1 µF 電容則在輸出端。(圖片來源:Analog Devices)

請注意,ADR43x 參考電壓各提供一個外部引腳,可供存取內部補償節點,以便在關鍵電路點增加外部串連的 RC 網路 (圖 6)。

Analog Devices 的 ADR43x 元件擁有使用者可存取的封裝引腳圖圖 6:ADR43x 元件擁有使用者可存取的封裝引腳 (引腳 7),可用來為內建運算放大器增加所需的補償。(圖片來源:Analog Devices)

增加 RC 電路可讓使用者「過度補償」內建運算放大器並避免不穩定。使用者可選擇電容值,在對照頻率下,達到可接受的低量雜訊 (圖 7)。

ADR43x 雜訊抑制圖圖 7:使用 ADR43x 參考電壓的設計人員可選擇 RC 元件值,在不用擔心輸出不穩定的狀況下,達到想要的雜訊抑制效果,如此處不同 RC 組合下的雜訊密度與頻率曲線圖所示。(圖片來源:Analog Devices)

2.輸出驅動 (流出/流入)、載入緩衝、暫態效能:多數參考電壓皆已經過內部緩衝,可流入和流出高達 5 mA 或 10 mA 的電流。如果所需的負載電流大於參考電壓的流出/流入額定值,則會需要外部緩衝 (通常是在單位增益下)。不過緩衝可能不盡理想,因為緩衝的缺陷 (不準確度、漂移) 造成的潛在影響,可能使參考電壓超出系統規格。

由於 ADR43x 系列有相對較高的 +30 mA 流出和 -20 mA 流入電流額定值,因此在許多狀況中不需要外部電流強化的緩衝。

此外,參考電壓上的負載不一定保持恆定,而是會隨著 ADC (或 DAC) 在內部的切換而異。假如轉換器的外部參考電壓輸入已經過緩衝,便不存在問題;若是尚未經過緩衝,則必須檢查參考電壓的暫態效能。在某些情況下,參考電壓和轉換器之間需要外部緩衝來驅動暫態負載;同樣,必須在系統誤差分析中,將緩衝的效能納入考量。

3.短期穩定度與溫度相關的漂移:由於讓主動電路趨穩,以及讓晶片上的熱梯度穩定下來所需時間的緣故,參考電壓輸出會出現漂移。此種多數參考電壓的導通趨穩時間,通常要視負載電容量而定,但對於 ADR431 來說,負載較小時,負載電容的影響最小 (圖 8 和圖 9)。

ADR431 的導通趨穩時間圖圖 8:沒有負載時 ADR431 導通趨穩時間大約是 8 µs。(圖片來源:Analog Devices)

增加 0.01 μF 負載時 ADR431 的導通趨穩時間圖圖 9:增加 0.01 μF 負載後,ADR431 的導通趨穩時間仍然僅有 8 μs 左右。(圖片來源:Analog Devices)

規格書指定了規定溫度下的參考電壓準確度,此值通常與導通值不同。溫度變化引起的輸出變化,很容易超過系統的準確度要求,因此需要具有適當低漂移規格的參考電壓。ADR43x 系列的指定工作溫度為 −40°C 至 +125°C;對於 ADR434A (4.096 V,±5 mV 初始準確度),此係數為 10 (ppm)/°C,而該系列的其他產品的數值可低至 3 ppm/°C。

4.由於老化、物理應力和封裝所造成的長期漂移:漂移通常是促成參考電壓不準確的重要因素。讓我們考慮某個應用,其溫度範圍內所要求的參考電壓總準確度為 ±0.1%。設計人員可以選用初始準確度為 ±0.05% 以及極低溫度係數為 ±5 ppm/°C 的高效能參考電壓。

在 25°C 至 125°C 之間,因溫度係數而引起的漂移將是 5 ppm/°C × 100°C,即 500 ppm (0.05%),因此總誤差 (初始誤差 + 漂移誤差) 剛好滿足 ±0.1% 的要求。一些高階應用將參考電壓放在溫控爐中,與用於溫度穩定的頻率設定晶體和時脈的溫控爐類似,但是在大多數情況下,這是不理想或不實用的作法。

隨著參考電壓準確度的提高,其基本長期漂移 (LTD) 成為維持該準確度的更大因素。對於設計工程師來說,LTD 是一項特殊挑戰,因為其本身也受到生產流程和產品使用模式的影響,而不僅僅取決於設計的縝密性和相關元件的選擇。在電路板組裝期間發生在封裝上的應力,是造成 LTD 的主要原因。由於在電路板焊接過程中暴露於高溫下,塑膠封裝的 IC 會稍微改變形狀,這種應力引起的尺寸變化,會在參考電壓晶粒上產生應力。

其結果就是,隨著這些與組裝相關的機械應力,在數小時、數天甚至數週內消退並恢復正常,參考電壓的輸出發生了變化。變化量取決於佈局、元件封裝和其他因素,而且通常大約是數十 ppm。此外,當元件生產滿一年後,參考電壓的晶粒和封裝關係甚至會「穩定」下來,因此一些參考電壓會指定在該更長時間內的漂移。

大多數參考電壓規格書會提供 LTD 規格,作為前 1000 小時運作後的典型漂移;ADR43x 系列規格書指定 1000 小時的 LTD 為 40 ppm (典型值),但也請注意,在之後的 1000 小時內的漂移會明顯低於前 1000 小時內的漂移。

解決這種應力引起之漂移的方案,是在幾小時內使電路板經過熱循環幾次,因為這將加速內應力的釋放。另一種解決方案是考慮使用陶瓷封裝的參考電壓,因為這些封裝通常比塑膠封裝更穩定,並且具有比塑膠封裝更低的彎折度。但是,許多參考電壓不提供陶瓷封裝;但這可能不是個問題,因為最新一代塑膠封裝內的參考電壓所提供的 LTD 效能,幾乎與陶瓷封裝元件一樣好。

最後,設計人員不能忽視在其自身電軌上暫態對參考電壓的影響;畢竟參考電壓在很多方面是特殊化的「電源供應器」。因此,負載變化不僅可能影響輸出準確度,而且穩定、雜訊小的直流 (DC) 輸入線路是可維持指定效能的另一個因素。也就是說,精心設計的參考電壓將嚴格調節電源輸入。ADR431 規定在 7 V 至 18 V 輸入電壓範圍內,線路調節 ΔVOUT/ΔVIN 為 5 mV/ppm (典型值) 和 20 mV/ppm (最大值) (圖 10)。

儘管線路暫態電壓為 500 mV,但 ADR43x 元件輸出沒有變化的圖表圖 10:參考電壓電軌中的暫態電壓會對其效能產生不利影響,但良好的內部線路調節應能解決這個問題。例如,儘管線路暫態電壓為 500 mV,但 ADR43x 元件的輸出沒有變化。(圖片來源:Analog Devices)

結論

無論是 ADC 或 DAC 內部的、還是離散的外部元件,參考電壓都是任何使用數據轉換器之系統的關鍵建構基礎。隨著基本準確度、漂移和其他參數的改進,可以促成系統層級效能的提升。

如前面所示,在拓撲和製程方面,設計人員有眾多參考電壓特性和增強功能可供選擇。看似簡單的參考電壓除了增加的功能,以確保在各種靜態和動態操作條件下保持準確度和一致的效能,還可為設計人員提供許多選項,以滿足嚴格的設計要求。

參考資料:

  1. Analog Devices, AN-713, “The Effect of Long-Term Drift on Voltage References
  2. Analog Devices, Engineer Zone, “Trimming the ADR430

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關於作者

Bill Schweber

Bill Schweber 是電子產品工程師,至今已撰寫三本有關電子通訊系統的教科書,以及數百篇技術文章、評論專欄,及產品特色介紹。他曾擔任 EE Times 的多個特定主題網站的技術網站管理人,以及 EDN 的執行編輯和類比技術編輯。

在類比和混合式訊號 IC 領導廠商 Analog Devices, Inc. 任職期間,Bill 從事行銷溝通 (即公關) 職務,因此他在技術及公關職能兩個方面皆有實務經驗,能與媒體雙向交流公司產品、業務事例及傳遞訊息。

Bill 在加入 Analog 從事行銷溝通職務前,原在業界舉足輕重的技術期刊擔任副主編,也曾任職於該公司的產品行銷和應用工程團隊。在此之前,Bill 於 Instron Corp. 從事材料測試用機器控制的類比電路和電源電路設計以及系統整合。

他擁有麻薩諸塞大學電機工程碩士學位和哥倫比亞大學電機工程學士學位,為註冊專業工程師,並持有進階級業餘無線電執照。Bill 也曾就各類工程主題進行線上課程的規劃、撰寫及講授,包括 MOSFET 概論、ADC 的選擇以及驅動 LED。

關於出版者

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