高精度电压基准REF62xx系列：技术解析与设计应用

在电子工程师的日常设计工作中，电压基准源的选择至关重要，它直接影响着整个系统的精度、稳定性和性能。今天，我们就来深入探讨一下德州仪器（TI）推出的REF62xx系列高精度电压基准，看看它有哪些独特的技术优势，以及在实际应用中该如何进行设计。

文件下载：ref6230.pdf

一、REF62xx系列产品概述

REF62xx系列包括REF6225、REF6230、REF6233、REF6241、REF6245和REF6250等型号产品，它们属于REF6000家族的一部分，具有集成的低输出阻抗缓冲器，能够直接驱动精密数据转换器的参考引脚（REF），同时保持出色的线性度、失真和噪声性能。这使得该系列产品非常适合用于需要高精度数据采集的系统中。

（一）产品特性

1. 优秀的温度漂移性能：在0°C至+70°C的温度范围内，最大温度漂移仅为3 ppm/°C，能够在较宽的温度范围内保持输出电压的稳定性。
2. 极低的噪声：总噪声低至 (5 mu V_{RMS }) （搭配47-µF电容），0.1 Hz至10 Hz的1/f噪声为3 µVPP/V，有效减少了系统中的噪声干扰。
3. 集成ADC驱动缓冲器：输出阻抗低于 (50 ~m Omega) （0 - 200 kHz），能够为数据转换器提供稳定的参考电压，确保首次采样精确到18位，适用于突发模式数据采集系统。
4. 低功耗：工作电流仅为820 μA，关机电流低至1 µA，有助于降低系统的功耗。
5. 高初始精度：初始精度可达±0.05%，为系统提供高精度的电压参考。
6. 低噪声和失真：SNR可达100.5 dB，THD低至–125 dB（搭配ADS8881），能够有效提高系统的信号质量。
7. 输出电流驱动能力：输出电流驱动能力为±4 mA，能够满足大多数数据采集系统的需求。
8. 可编程短路电流：可以通过连接电阻到SS引脚来设置输出短路电流限制，增强了系统的安全性。

（二）应用领域

REF62xx系列产品广泛应用于各种需要高精度电压参考的领域，包括自动测试设备（ATE）测试仪、示波器、测试和测量设备、可编程逻辑控制器（PLC）的模拟输入模块、医疗设备以及精密数据采集系统等。

（三）芯片规格

1. 绝对最大额定值
   • 输入电压范围为–0.3 V至6 V。
   • 使能引脚电压范围为–0.3 V至 (V_{IN } + 0.3) V。
   • 工作温度范围为–55°C至150°C，存储温度范围为–65°C至150°C。
2. ESD额定值：人体模型（HBM）为±1000 V，带电设备模型（CDM）为±250 V，具备一定的静电防护能力。
3. 推荐工作条件
   • 不同型号的产品对输入电压的要求有所不同，如REF6225的输入电压范围为3 V至5.5 V，REF6250的输入电压范围为5.3 V至5.5 V。
   • 使能电压范围为0 V至 (V_{IN }) V。
   • 输出电流根据不同型号有所差异，如REF6225、REF6230、REF6233、REF6241的输出电流范围为–4 mA至4 mA。
   • 工作温度范围为0°C至70°C。
4. 热信息：给出了不同封装形式下的热阻参数，如结到环境的热阻 (R_{θJA}) 为158.5 °C/W等，有助于工程师进行散热设计。
5. 电气特性
   • 输出电压精度可达±0.05%。
   • 输出电压温度系数为3 ppm/°C。
   • 线路和负载调节性能良好，不同型号在不同条件下的调节率有所差异。
   • 短路电流为10.5 mA（SS引脚开路时）。
   • 总集成噪声在不同电容条件下有所不同，如搭配22 µF电容时为5 ，搭配47 µF电容时为 (5 mu V_{RMS }) 。
   • 低频噪声（0.1 Hz至10 Hz）为3 µVPP/V。
   • 输出阻抗在0至200 kHz频率范围内低于50 mΩ。
   • 开启时间在特定条件下为100 ms。
   • 长期稳定性良好，不同时间段的漂移较小。
   • 输出电压滞后在不同温度循环下有所不同。
   • 输出电容稳定值范围为10 µF至47 µF。

（四）典型特性

文档中给出了多个典型特性曲线，包括漂移分布、初始精度分布、输出电压精度与温度的关系、负载调节与温度的关系、线路调节与温度的关系、电源电流与温度和输入电压的关系、开启时间、噪声频谱、电源抑制比与频率的关系、输出阻抗与频率的关系、负载瞬态响应、参考下垂等。这些曲线直观地展示了REF62xx系列产品在不同条件下的性能表现，为工程师在实际应用中选择合适的产品和设计参数提供了重要参考。

（五）参数测量信息

1. 焊接热漂移：由于制造REF62xx的材料热膨胀系数不同，焊接过程中的热应力可能导致输出电压发生漂移。通过对128个器件在特定回流焊条件下的测试，发现典型的漂移小于0.03%，但实际漂移可能因PCB的尺寸、厚度和材料而异。为减少热应力的影响，建议在最后一次回流焊时焊接器件。
2. 热滞现象：热滞定义为器件在25°C下工作，经过特定温度范围循环后再回到25°C时输出电压的变化。文档给出了典型的热滞分布曲线，有助于工程师了解器件在温度变化过程中的性能稳定性。
3. 参考下垂测量：对于许多需要高精度首次转换的应用，如事件触发和多路复用数据采集系统，REF62xx的集成ADC驱动缓冲器能够确保在驱动ADS8881的REF引脚时，参考下垂小于1 LSB（18位精度）。文档详细介绍了参考下垂的测量方法和实验设置，通过对ADC输出代码的处理和平均，减少了噪声对测量结果的影响。
4. 1/f噪声性能：REF6225在0.1 Hz至10 Hz的典型电压噪声为3 µVPP/V，且该噪声与输出电压成比例。文档还给出了噪声测量的设置图，方便工程师进行实际测量。

（六）详细描述

1. 概述：大多数SAR ADC和部分delta - sigma ADC在转换过程中会将二进制加权电容切换到REF引脚，这会导致参考电压下垂，影响系统的THD和线性度。REF62xx系列产品集成了低输出阻抗缓冲器，能够有效支持这种动态负载，保持ADC的线性度、失真和噪声性能，同时其极低的总噪声也有助于保持ADC的噪声性能。
2. 功能框图：展示了REF62xx的简化原理图，包括输入电源、缓冲器、带隙电压参考、使能引脚等部分，清晰地呈现了器件的内部结构和工作原理。
3. 特性描述
   • 集成ADC驱动缓冲器：许多ADC数据手册要求REF引脚有一定的平均电流，但大多数电压参考在驱动高分辨率、高吞吐量的SAR ADC时，由于峰值电流需求高和输出阻抗大，无法满足要求。REF62xx集成了低输出阻抗缓冲器，能够在1 µs内为47 - µF电容补充70 pC的电荷，且电压下降不超过1 LSB（18位精度）。与传统电压参考相比，REF62xx在输出阻抗和参考下垂性能方面具有明显优势。
   • 温度漂移：REF62xx系列产品通过特定的设计和生产工艺，实现了最小的漂移误差，其漂移计算采用箱式方法。
   • 负载电流：不同型号的REF62xx产品具有不同的负载电流能力，且通过连接电阻到SS引脚可以调节短路电流限制和推荐输出电流。
   • 稳定性：REF62xx系列产品在输出电容值为10 µF至47 µF的范围内稳定工作，不同电容值对有效串联电阻（ESR）有不同要求。在FILT引脚连接1 µF电容有助于提高稳定性和降低噪声。
4. 器件功能模式：当EN引脚拉高时，器件处于工作模式；当EN引脚拉低时，器件进入关机模式，此时输出为高阻抗，静态电流降至1 µA（典型值）。

（七）应用与实现

1. 应用信息：对于事件触发和多路复用数据采集系统等需要高精度首次转换的应用，传统电压参考由于参考下垂问题难以满足要求。REF62xx能够提供低失真、低噪声、低功耗的突发模式数据采集解决方案，适用于18位SAR ADC以1 MSPS的吞吐量处理1 kHz全量程纯正弦波输入的应用场景。
2. 典型应用
   • 设计要求：支持突发模式，有效位数（ENOB）大于16位，总谐波失真（THD）小于–120 dB，功耗小于50 mW，吞吐量为1 MSPS。
   • 详细设计过程：数据采集系统的噪声和精度主要受输入驱动器、参考驱动器和数据转换器的影响。采用THS4551差分运算放大器驱动18位ADC（ADS8881），并在其输出端设计电荷反馈RC滤波器以减少采样开关引起的电荷反馈。REF62xx集成了ADC驱动缓冲器，可直接驱动ADS8881的REF引脚，同时要正确选择输出电容以满足稳定性和突发模式要求，在FILT引脚连接1 μF电容以降低宽带噪声。
   • 应用曲线：文档给出了典型的FFT图和参考下垂图，直观地展示了REF62xx在不同输入频率和负载条件下的性能表现。

（八）电源供应建议

REF62xx系列产品具有极低的压降电压，在VIN和GND_F引脚之间必须连接至少0.1 µF的去耦电容，以确保电源的稳定性。文档还给出了典型的压降电压与负载电流的关系曲线，帮助工程师了解器件在不同负载下的电源性能。

（九）布局设计

1. 布局指南
   • 在VIN引脚和地之间连接低ESR的0.1 - μF陶瓷旁路电容，以减少电源噪声。
   • 将REF62xx的输出电容 (C_{L}) 和ADC尽可能靠近放置，减少信号传输过程中的干扰。
   • 分别为VOUT_F、VOUT_S和输出电容铺设两条独立的走线，确保信号的准确性。
   • 将GND_F和GNDS引脚通过实心平面短接，并将该平面延伸至连接输出电容 (C{L}) ，以提高接地的稳定性。
   • 使用实心接地平面来帮助散热和减少电磁干扰（EMI）噪声拾取。
   • 将外部组件尽可能靠近器件放置，避免寄生误差的产生。
   • 避免敏感模拟走线与数字走线平行，尽量减少数字和模拟走线的交叉，必要时采用垂直交叉。
2. 布局示例：文档给出了一个使用REF62xx的数据采集系统的PCB布局示例，为工程师提供了实际的参考。

（十）器件与文档支持

1. 文档支持：提供了相关的文档链接，包括ADS8881x、ADS127L01的数据手册，REF6025EVM - PDK用户指南以及电压参考对总谐波失真影响的文档等，方便工程师获取更多的技术信息。
2. 相关链接：列出了REF62xx系列各型号产品的快速访问链接，包括产品文件夹、样品购买、技术文档、工具软件和支持社区等方面的链接。
3. 文档更新通知：工程师可以在ti.com上注册，接收产品文档更新的每周摘要通知，及时了解产品的最新信息。
4. 社区资源：提供了TI E2E™在线社区和设计支持的链接，方便工程师与其他同行交流和获取技术支持。
5. 商标说明：明确了E2E是德州仪器的商标，其他商标归各自所有者所有。
6. 静电放电注意事项：提醒工程师在处理该集成电路时要采取适当的静电防护措施，因为ESD可能会导致器件性能下降甚至完全失效，特别是对于精密集成电路，微小的参数变化可能会影响其性能。
7. 术语表：提供了TI术语表的链接，方便工程师查询相关术语和定义。

（十一）机械、封装和订购信息

文档详细列出了REF62xx系列各型号产品的封装信息，包括可订购的零件编号、状态、材料类型、封装形式、引脚数量、封装数量、载体、RoHS合规性、引脚镀层/球材料、MSL等级/峰值回流温度、工作温度范围和零件标记等。同时，还给出了封装外形图、示例板布局和示例模板设计等信息，为工程师在产品选型和设计过程中提供了全面的参考。

REF62xx系列高精度电压参考产品凭借其优秀的性能和丰富的特性，为电子工程师在设计高精度数据采集系统等应用中提供了一个可靠的选择。通过合理的设计和布局，能够充分发挥其优势，满足各种复杂应用的需求。大家在实际应用中是否遇到过类似产品的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。