REF19xx系列电压基准：特性、应用与设计要点

在电子设计领域，电压基准是确保系统精度和稳定性的关键组件。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（Texas Instruments）的REF19xx系列低漂移、低功耗、双输出电压基准。

文件下载：ref1925.pdf

产品概述

REF19xx系列包括REF1925、REF1930、REF1933和REF1941等型号，提供(V{REF})和(V{REF}/2)（即(V{BIAS})）两个输出，特别适用于单电源系统。在仅使用正电源电压的应用中，常常需要在模数转换器（ADC）输入范围的中间有一个额外的稳定电压来偏置输入双极性信号，REF19xx正好满足了这一需求，它为ADC提供参考电压(V{REF})，同时提供一个高精度的(V_{BIAS})用于偏置输入双极性信号。

特性亮点

1. 出色的温度漂移性能：在 -40°C 至 125°C 的温度范围内，最大温度漂移仅为 -25 ppm/°C，能有效减少因温度变化导致的电压偏差，确保系统在不同环境温度下的稳定性。
2. 高初始精度：最大初始精度可达 ±0.1%，为系统提供了准确的电压参考。
3. (V{REF})和(V{BIAS})的温度跟踪性能：在 -40°C 至 85°C 范围内，跟踪精度为 -6 ppm/°C（最大）；在 -40°C 至 125°C 范围内，跟踪精度为 -7 ppm/°C（最大），保证了两个输出电压在温度变化时的一致性。
4. 低静态电流：静态电流小于 430 µA，有助于降低系统功耗，延长电池供电设备的续航时间。
5. 微尺寸封装：采用 SOT23 - 5 封装，节省了电路板空间，适合对空间要求较高的应用。
6. 低 dropout 电压：仅 10 mV 的极低 dropout 电压，允许从非常低的输入电压工作，在电池供电系统中非常实用。
7. 高输出电流：每个输出可提供 ±20 mA 的电流，能够满足大多数负载的需求。

应用领域

REF19xx系列凭借其优异的性能，广泛应用于多个领域：

1. 数字信号处理：如功率逆变器和电机控制，稳定的电压基准有助于提高系统的控制精度和可靠性。
2. 电流传感：在工业和电力系统中，准确的电流传感对于设备的监测和保护至关重要，REF19xx的高精度和低漂移特性能够满足这一需求。
3. 工业过程控制：为工业自动化系统提供稳定的电压参考，确保过程控制的准确性和稳定性。
4. 医疗设备数据采集系统：在医疗设备中，对数据采集的精度要求极高，REF19xx的高初始精度和低噪声特性能够保证采集数据的准确性。

产品规格

绝对最大额定值

参数	最小值	最大值	单位
输入电压 (V_{IN})	-0.3	6	V
使能引脚 (EN)	-0.3	(V_{IN}+0.3)	V
工作温度	-55	150	°C
结温 (T_{J})		150	°C
存储温度 (T_{stg})	-65	170	°C

电气特性

在 (T{A}=25^{circ}C)，(I{L}=0 mA) 和 (V_{IN}=5 V) 的条件下，REF19xx的主要电气特性如下：

1. 输出电压精度：±0.1%
2. 输出电压温度系数：在 -40°C 至 125°C 范围内为 ±25 ppm/°C；在 -40°C 至 85°C 范围内为 ±6 ppm/°C
3. (V{REF})和(V{BIAS})的温度跟踪：在 -40°C 至 125°C 范围内为 ±7 ppm/°C
4. 线路调节：3 ppm/V
5. 负载调节：8 ppm/mA
6. 电源电流：有源模式下为 360 - 430 µA；关断模式下为 5 - 9 µA
7. 使能电压：有源模式下 (EN = V_{IN}-0.7 V)；关断模式下 (EN = 0 V)
8. dropout 电压：(I_{L}=20 mA) 时为 10 - 600 mV
9. 短路电流：50 mA
10. 开启时间：0.1% 稳定时间，(C_{L}=1 µF) 时为 500 µs
11. 噪声：低频噪声（0.1 Hz - 10 Hz）为 12 ppmPP；输出电压噪声密度（(f = 100 Hz)）为 0.25 ppm/√Hz
12. 电容负载：稳定输出电容范围为 0 - 10 µF
13. 长期稳定性：0 至 1000 小时为 60 ppm
14. 输出电压滞后：25°C、-40°C、125°C、25°C 循环时为 35 - 60 ppm

典型应用示例

以低侧电流传感应用为例，REF1930可与INA213电流分流监测器配合使用，实现对负载电流的准确检测。设计要求如下：

1. 电源电压：5.0 V
2. 负载电流：±2.5 A
3. 输出：250 mV 至 2.75 V
4. 最大分流电压：±25 mV

详细设计步骤

1. 分流电阻选择：根据公式 (R{SHUNT(max)}=frac{V{SHUNT(max)}}{I_{LOAD(max)}})，计算出最大分流电阻为 10 mΩ。为了减少温度误差，应选择低漂移的分流电阻；为了减少偏移误差，应选择公差最小的分流电阻。
2. 差分放大器选择：选择具有单电源（3 V）、参考电压输入、低初始输入偏移电压、低漂移、固定增益和低侧传感等特性的差分放大器。INA213是一个不错的选择，它满足了所有要求，并且避免了传统仪表放大器和差分放大器的一些缺点。
3. 电压基准选择：REF1930具有双输出（3.0 V 和 1.5 V）、低漂移和两个输出之间低跟踪误差的特点，非常适合该应用。其温度漂移为 25 ppm/°C，初始精度为 0.1%，能够将电压基准带来的误差降至最低。

应用曲线与结果

通过两点校准可以消除偏移电压、增益误差等相关误差。测量结果表明，在 25°C 时，未校准误差为 ±0.0355%，校准后误差为 ±0.004%；在 -40°C 至 125°C 范围内，未校准误差为 ±0.0522%，校准后误差为 ±0.0606%。

设计要点

电源供应

REF19xx系列具有极低的 dropout 电压，可在仅高于输出电压 20 mV 的电源下运行。建议使用 0.1 µF 至 10 µF 的电源旁路电容，以减少电源噪声对输出电压的影响。

布局设计

在 PCB 布局时，需要注意以下几点：

1. 在 REF1930 的 (V{IN})、(V{REF}) 和 (V_{BIAS}) 引脚连接低 ESR 的 0.1 µF 陶瓷旁路电容，以提高电源稳定性。
2. 根据设备规格对系统中的其他有源设备进行去耦处理，减少相互干扰。
3. 使用实心接地平面，有助于散热和减少电磁干扰（EMI）噪声拾取。
4. 将外部组件尽可能靠近设备放置，防止寄生误差（如塞贝克效应）的发生。
5. 尽量减少参考和偏置连接到 INA 和 ADC 之间的走线长度，以减少噪声拾取。
6. 避免敏感的模拟走线与数字走线平行，尽量避免数字和模拟走线交叉，必要时进行垂直交叉。

总结

REF19xx系列电压基准以其出色的温度漂移性能、高初始精度、低功耗和微尺寸封装等优点，为电子工程师在设计高精度、低功耗系统时提供了一个可靠的选择。在实际应用中，合理选择组件、优化布局设计，能够充分发挥 REF19xx的性能优势，提高系统的整体性能和稳定性。你在使用 REF19xx系列产品时遇到过哪些问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。