如何选择电压基准源芯片?电压基准源误差对ADC采集会有何影响?

描述

高精度电压基准源是众多电子设备和系统的重要组件,其性能的优劣直接影响整个系统的稳定性和可靠性。除了高精度这一特性之外,低温漂、低噪声、低功耗等特性同样是电压基准源在应对各类电子设备日益严苛要求时的必备要素。

本期将围绕如何选择电压基准源芯片展开讨论,并以纳芯微电压基准源芯片NSREF3130为例,详细分析电压基准源误差对ADC采集系统会产生怎样的影响。

纳芯微的NSREF30/31xx系列电压基准源产品,凭借其卓越的性能与稳定性,不仅能满足电子设备不断增长的性能需求,更有助于客户开拓更为广阔的应用领域。

如何选择电压基准源芯片?

在选择一颗作为基准电压的电压基准源芯片时,首先需要从系统架构上考虑以下几个要素:电源电压、功耗预算、负载能力、温度范围和封装尺寸等

在满足了系统的基本要求之后,需要进一步考虑基准源芯片的性能参数是否能够满足需求。高精度、低噪声是电压基准源的基本性能要求,在不同的外界环境变化下,如温度变化、环境应力变化、时间变化等,基准源也都需保持稳定。这些外部因素都会影响电压基准源的性能,因此,有不同的性能参数用来标定基准源的性能高低,如初始精度、温度漂移、噪声、热迟滞、长期漂移、电压调整率、负载调整率、输入输出电压差等。

电压基准源的选择要素

NSREF30/31xx系列的产品优势 

纳芯微的电压基准源NSREF30/31xx产品具有高精度、低温漂、低噪声、低功耗特性,该系列包含NSREF30xxNSREF31xx两个子系列,每个子系列有6个不同型号,分别对应6个输出电压选项。每款产品均有车规和工规型号,其中车规级产品满足AEC-Q100 Grade1的可靠性要求,可在-40~125℃的严苛环境下工作。

温度漂移是电压基准源最重要的参数之一,它是由电路缺陷和非线性引起的漂移,往往是非线性的。纳芯微电压基准源采用了黑盒法(Box method)对温度漂移进行测量和标定。

事实上,温度漂移计算只是基于有限的温度测量点来测量电压的最大值和最小值,并没有考虑这些极值发生在哪一个温度点。因此,对于一个非线性的温漂器件来说,其温度漂移指标并不能用来说明该器件在较窄的温度范围内,其温度漂移指标会比标定的更好。

NSREF30xx系列的温漂典型值为10ppm/℃,最大值35ppm/℃。NSREF31xx系列的性能更高,温漂典型值为5ppm/℃,最大值15ppm/℃,能够保证在全温度范围内实现高精度ADC采样。在其他性能参数方面,两个系列的基准源产品表现同样卓越。

电池供电

NSREF30xx和NSREF31xx的温漂性能表现

低噪声是NSREF30/31xx系列的另一特色。电压基准源输出电压噪声一般表现为低频1/f噪声和宽带白噪声。在实际应用中,宽带噪声可通过压缩带宽的手段来抑制;而低频1/f噪声在应用中很难去除,是高精度测量的主要误差之一。

NSREF30/31xx采用先进的工艺及专门的低噪声设计,2.5V输出电压时的1/f噪声典型值仅为20μVpp(峰峰值),且噪声分布相对收敛;1sigma值小于2μVpp,大大降低了低频噪声对ADC采样误差的影响。在保证低噪声的前提下,NSREF30/31xx仅消耗140μA(典型值)电流,因此适合工业现场变送器、电力、便携式测量设备等应用。

对比表明,在近似的静态功耗和温漂性能下,NSREF30/31xx系列产品的低频1/f噪声远低于市面上主流产品

电池供电

NSREF30xx和NSREF31xx的低频噪声性能表现

得益于良好的环路设计,在输入电压仅比输出电压高1mV(典型值)时,NSREF30/31xx即可正常输出工作电压(NSREF3012/3112需要最低1.8V工作电压),对电源(如电池供电)电压可能出现降低的应用场景非常友好。

此外,NSREF30/31xx具有源电流和吸电流能力(典型值±10mA), 输出端不接输出电容也可以稳定输出电压,不会因所接电容发生故障或失效而导致器件工作不正常,且能够支持很宽的环路稳定电容值范围,从而适应不同应用电路和场景,拓展了其应用范围。

在实际应用中,为了减小电压基准源长期漂移对系统精度的影响,通常需要进行定期校准,但这样会导致生产率降低等方面的问题。因此,引入长期漂移的性能指标对精密系统的设计尤为重要。

长期漂移是指电压基准源输出电压随时间变化的漂移量,基准源的长期漂移主要是机械应力和老化所致,早期漂移主要由机械应力引入,通常会造成基准源电压出现较大的漂移。随着时间的推移,封装、焊接和芯片材料越来越稳定,漂移量会越来越小。需要注意的是产品手册标定的长期漂移,是指基准源输出电压在前1000小时漂移量而非每1000小时漂移量。

NSREF30/31xx系列在35℃下前1000小时漂移量为100ppm(典型值),前2000小时漂移量为130ppm(典型值)。在估算更长时间的漂移量时,可使用归一化到1000小时漂移量的平方根公式LTD(h)来计算。

电池供电

基准源的长期漂移性能表现

基准源性能对ADC采集系统影响的分析 

结合上述介绍的性能指标,以NSREF3130为例,分析其性能对ADC采集系统的影响。系统误差通常使用统计公差分析的平方根(RSS)法来计算。表格统计了NSREF3130的误差项及误差大小,方程式展示了使用平方根法计算的总误差,并将基准源总误差转换为LSB。本例省略了线性调整率、负载调整率等误差。由方程式得出,对于12位ADC, NSREF3130的误差贡献为13LSB。

电池供电

NSREF3130对ADC采样精度的影响

通过系统校准,可以消除初始精度带来的误差,同时温度漂移和长期漂移改善80%。由计算可得,校准后的系统中NSREF3130带来的总误差仅为2LSB

电池供电

系统校准后NSREF3130对ADC采样精度的影响

进一步拓展应用边界  

纳芯微电压基准源产品NSREF30/31xx系列,凭借其高精度、低温漂、低噪声、低功耗等诸多优势,赢得了客户的高度认可与好评。

该系列产品得益于先进的制程工艺和独到的设计理念,不仅实现了高初始精度,更在低温漂特性上超越了同类市场产品,确保在全温度范围内都能保持卓越的采样精度

NSREF30/31xx系列电压基准源拥有广泛的应用前景,可被应用于光伏、工业自动化、数字电源、充电桩等多个领域。它为客户提供稳定可靠的性能输出,助力实现更高效、更精确的数据采集和处理,从而帮助客户进一步拓展其应用边界,探索更多可能。           




审核编辑:刘清

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