XFET参考

为了使模拟信号表示（或由数字表示），需要参考（通常是电压）来转换刻度。因此，A/D转换器产生的数字数字与模拟信号与基准电压之比成比例;D/A转换器产生的输出是满量程电压或电流的一小部分，由基准电压源建立。如果参考信号产生+1%的误差，则会导致成比例的系统误差：DAC的模拟输出将增加1%，ADC的数字输出将减少1%。

在需要绝对测量的系统中，系统精度高度依赖于基准电压源的精度。在高分辨率数据采集系统中，尤其是那些必须在宽温度范围内工作的数据采集系统，高稳定性基准电压源是必须的。任何转换器的精度都受到其基准电压源的温度灵敏度和长期漂移的限制。如果允许基准电压源产生仅相当于最低有效位 1/2 的误差 （1 LSB = 2-n满量程），即使对于小的温度偏移，看到参考必须有多好可能会令人惊讶。当温度变化很大时，参考设计是一个主要问题。

例如，自动校准的真正 16 位 A/D 转换器的满量程 LSB 为 15.2 ppm。要使ADC具有16位的绝对精度，整个工作温度范围内的基准电压源误差必须小于或等于1/2 LSB或7.6 ppm。如果基准电压漂移为1 ppm/°C，则（忽略所有其他误差源）总温摆不得超过7.6°C，以保持真正的16位精度。经常被忽视的花药误差源是参考噪声;保持较低水平（通常小于1/4 LSB）对于高精度至关重要。基准电压源温度系数的非线性和较大的热滞后是其他误差来源，会显著影响整体系统精度。

参考资料的类型

齐纳*二极管：多年来广泛使用的是温度补偿齐纳二极管，它由器件表面的基极-发射极结反向击穿产生。齐纳二极管具有恒定的压降，特别是当用于可以提供来自较高电源电压的恒定电流的电路中时。齐纳二极管提供多种电压选择：从大约 6 V 到 200 V，容差为 1.0% 到 20%，功耗从几分之一瓦到 40 或 50 W。但是，它们有许多缺点。它们通常需要额外的电路来获得低输出阻抗，低成本器件的耐压性通常较差;它们嘈杂，对电流和温度的变化非常敏感，并且容易受到随时间变化的影响。

埋入式或地下齐纳是精密IC器件的首选参考源。在齐纳次表面参考中，反向击穿区域被保护性扩散覆盖，以使其远低于表面发现的杂质、机械应力和晶体缺陷。由于这些效应会导致噪声和长期不稳定，埋入式击穿二极管比表面齐纳二极管噪声更小，更稳定。但是，它需要至少6 V的电源，并且必须消耗数百微安的电流才能将噪声保持在实际水平。

*注意：参考二极管可以使用两种类型的击穿现象，齐纳和雪崩。大多数参考二极管采用更高电压的雪崩模式，但都被称为“齐纳”二极管。

带隙：另一种流行的基准电压源设计技术使用带隙原理：V是任何硅晶体管的负温度系数约为2 mV/°C，在绝对零度（硅的带隙电压）下可以外推到约1.2V。在不同电流密度下工作的匹配晶体管之间的基极-发射极电压差将与绝对温度（PTAT）成正比。此电压，加到 V是凭借其负温度系数，将实现恒定的带隙电压。这种温度不变电压可用作并联连接中的“低压齐纳二极管”（AD1580）。更常见的是，它被放大和缓冲以产生标准电压值，例如2.5或5 V。带隙基准电压源自推出以来已获得高度精细化并被广泛使用;然而，它缺乏当今许多电子系统所要求的精度。实用带隙基准电压源的噪声性能不佳，具有相当大的温度迟滞，并且具有长期稳定性，具体取决于至少一个片内电阻的绝对值。

新原理--XFET™： 随着使用 5V 电源的系统激增，以及对在 3 V 及以下工作的需求不断增长，IC 和系统的设计人员需要高性能基准电压源，该基准电压源可以采用远低于埋式齐纳二极管所需 >6 V 的电源轨工作。此类器件必须将低功耗操作与低噪声和低漂移相结合。还需要线性温度系数、良好的长期稳定性和低热滞后。为了满足这些需求，我们创建了一个新的基准电压架构来提供这种急需的基准电压源。该技术被称为XFET™（eXtra 植入式 FET），产生一个需要低电源电流的低噪声基准，并提供改进的温度系数线性度和低热滞后。

XFET基准的内核由两个结型场效应晶体管组成，其中一个晶体管具有额外的通道植入物，以提高其夹断电压。当两个JFET以相同的漏极电流运行时，夹断电压差被放大并用于形成高度稳定的基准电压源。固有基准电压约为500 mV，负温度系数约为120 ppm/K。该斜率基本上锁定在硅的介电常数中，并通过添加与用于补偿带隙基准电压源的比例与绝对温度（PTAT）相同的方式生成的校正项来密切补偿。然而，XFET的固有温度系数比带隙低约<>倍。因此，需要的更正要少得多。这往往会产生更少的噪声，因为带隙基准电压源的大部分噪声来自温度补偿电路。温度校正项由电流IPTAT，为正且与绝对温度成比例（图1）。

图1.ADR29x基准电压源的简化原理图

ADR29x系列是基于XFET架构的不断壮大的基准电压源系列中的首款。它们采用2.7至15 V电源轨供电，功耗仅为12 μA。 输出电压选项包括2.048 V （ADR290）、2.5 V （ADR291）、4.096 V （ADR292）和5 V （ADR293）。

新技术的成果：XFET电路拓扑结构比大多数带隙和齐纳基准电压源具有显著优势。在相同电流下工作时，XFET基准电压源在0.1至10 Hz频率下的峰峰值噪声电压通常比带隙低3倍（参见REF192和ADR291之间的比较）。或者，带隙基准电压源的供电电流通常为XFET基准电压源的20倍，以提供等效的峰峰值噪声性能（ADR291与AD680）。XFET 基准电压源在扩展的工业工作温度范围内具有非常平坦或线性的温度系数。最佳带隙和齐纳基准电压源通常在极端温度下具有非线性温度系数。这些非线性在器件之间不一致，因此不能使用简单的ROM/软件查找表进行温度系数校正。温度系数线性度是DVM应用的一个非常重要的规格。XFET的另一个主要优点是其出色的长期稳定性。其漂移小于带隙基准电压源的五分之一，与齐纳基准电压源的漂移相当（见表）。

表 1.齐纳、带隙和XFET基准电压源的比较

 

参数	ADR291	公元586	公元680	编号192
参考拓扑	场效应管	埋葬齐纳	隙	隙
电源电压 （V）	+3.0	+15.0	+5.0	+3.3
电压输出 （V）	2.5	5	2.5	2.5
初始精度（mV）*最大值	±2	±2	±5	±2
温度系数 （ppm/°C）* 最大值	8 （-25 至 +85）	2 （0 至 +70）	20 （-40 至 +85）	5 （-40 至 +85）
噪声电压 0.1 至 10 Hz （μV 峰峰值）	8	4	10	25
最大静态电流 （μA），25°C	12	3000	250	45
线路调整率 （ppm/V）*，最大值	100	100	40	4
负载调整率（ppm/mA）* 最大值	100	100	100	10
工作温度范围（°C）	-40 至 +125	-40 至 +85	-40 至 +85	-40 至 +85

 

*上品

尽管静态电流较低，但ADR29x系列能够通过低压差PNP输出级向负载提供5 mA电流;并且不需要输出去耦电容器。XFET设计的热滞后比带隙要好得多。生产器件在承受 200 开尔文热冲击时表现出大约 100 μV 的可恢复和非累积偏移，而在相当的带隙中则表现出 500 至 1000 μV 的偏移。ADI专有的XFET架构在需要精度、稳定性和低功耗的便携式系统中提供的整体性能优势是现有带隙或齐纳基准电压源无法比拟的。

应用-电流源：ADR29x系列适用于许多低功耗、低压精密基准电压源应用，包括负基准电压源和“增强型”精密稳压器，采用具有开尔文反馈连接的外部低静态轨到轨放大器。低且不敏感的静态电流（在整个温度范围内约为12 ± 2 μA）允许ADR29x系列产品用作精密电流源，采用低电源电压工作。

图2显示了带有接地负载的浮动电流源的基本连接。精密调节输出电压导致电流 （V外/R设置），以流经 R设置，这是固定电阻和可调外部电阻的总和。该电流<5 mA，与静态电流相加，形成通过R的负载电流L.因此，可以对12 μA至5 mA的可预测电流进行编程，以流过负载。

图2.精密电流源。

审核编辑：郭婷