深入浅出常用元器件系列——电压基准

　　由于数字电路、微控制器的飞速发展，原来很多由模拟电路完成的任务变为由数模混合电路来完成。模拟信号经过放大、滤波等预处理后送入ADC转为数字信号，由单片机或DSP进行信号处理;由单片机、DSP的计算数字结果经由DAC转化为模拟量对执行器进行控制。

　　在上述信号链路中一个非常重要的环节就是A/D转换和D/A转换，这是连接模拟世界与数字世界的桥梁。在模拟信号与数字信号相互转换的过程中，基准电压芯片起到举足轻重的作用，它为模拟信号的量化工作提供标准。电子工程师越来越多地使用不同规格的基准电压芯片。但是，很多人刚开始接触基准电压芯片时感到一筹莫展，甚至有些工程师也只关心基准电压芯片的精度(其实是初始精度)这一指标。

　　下面我们一起来揭开基准电压芯片的神秘面纱。

　　基准电压芯片的分类

　　从电路拓扑结构来分，基准电压芯片可分为串联稳压型和并联稳压型两种。从内部结构和稳压原理来看，可分为齐纳二极管型(包括基于齐纳二极管的集成基准电压源)和带隙式(band-gap)两类。

　　最简单的稳压芯片就是齐纳稳压二极管，它也是典型的并联稳压结构——负载与基准电压芯片为并联连接。普通的齐纳二极管型的基准电源源具有初始精度不太好，噪声较大等缺点，在当前的电路设计中已经很少作为基准电压源使用。但经过特殊补偿、采用深埋工艺的齐纳管型基准源，具有很好噪声指标、非常优异长期稳定性和温漂特性，在高端测量领域依然不可替代。例如LM399，其长期稳定性达20ppm/1000h，温漂低至0.3ppm/ ,而性能更好的LTZ1000长期稳定性达到惊人0.3ppm/1000h，温漂达到0.05ppm/ 。这两款基准电压源虽已生产了几十年时间，但由于其无与伦比的性能指标，在对基准电压源要求严苛的高精度测量领域，如6位以上万用表、高精度称重等，这两款芯片直到今天依然不可替代。

　　在通用电路设计中，带隙式基准电压源以其相对低廉的价格、较高的性能指标得到非常广泛的应用。从TL431、LM385、LM336等价格非常便宜的基准源到MAX6535、ADR431、REF5025等性能非常优秀的高精度基准电压源，带隙式基准电压源几乎无处不在。下图为带隙结构示意图，简单来说它采用一个带有负温度系数的BE结对带有正温度系数的电压产生器进行温度补偿，得到近似零温度系数的基准电压源。对带隙结构感兴趣的朋友，可以专门查阅相关专著，限于篇幅这里不对此展开论述。

　　现代电压基准主要参数

　　长期稳定性，之所以将这个参数排在最前面，是由于这是一个非常重要但却被很多人忽视的参数。通常以ppm/1000h为单位，即每1000小时基准源的输出变化多少，也就是老化性能。很多国产仪器仪表随着使用时间越来越长，精度变得越来越差，有很大一部分原因是由于基准源的老化性能不好。通常这个参数随着基准源的使用时间越来越小，所以有些厂家会标识第二个1000小时的长期稳定性指标，如下图为某精度基准电压源的老化参数，第二个1000小时的老化指标明显优于第一个1000小时。

　　温度系数，顾名思义指基准源输出随温度变化的指标。根据系统工作温度范围，为系统中的ADC、DAC选择适当温度系数的基准电压源非常重要。否则，随着温度的变化，ADC或DAC将达不到设计的性能指标。另外值得注意的是，基准电压源的温度特性通常可以经过校正达到更好的指标(由于温度迟滞等特性，理论上不能完全消除)。

　　初始精度，指上电时输出电压与标称电压之间的差值。由于基准源的初始电压是一个对外部条件(温度、输入电压等)不太敏感的定值，所以比较容易进行校准。与温度系数、老化指标相比，重要性略差一些。例如前文提到的顶级基准电压源LTZ1000的初始精度只有4%，比tl431还要差一些，但这不并妨碍它成为顶级基准源。

　　噪声，基准源的噪声通常是随机噪声，但也可能包含闪烁噪声和其它寄生噪声源，在电路设计时需要注意基准源的噪声处理，防止基准源噪声对转化精度造成影响。噪声的表示方法通常有均方根噪声和峰峰值噪声两种表示方式。