REF20xx系列电压基准芯片：设计与应用全解析

在电子工程师的日常设计工作中，电压基准芯片是至关重要的元件，它为电路提供稳定、精确的参考电压，直接影响着整个系统的性能和精度。今天，我们就来深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的REF20xx系列电压基准芯片，包括REF2025、REF2030、REF2033和REF2041。

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一、REF20xx芯片特性亮点

1. 双输出设计

REF20xx芯片提供两个输出，分别是(V{REF})和(V{REF}/2)（即(V_{BIAS})）。这种设计在单电源系统中非常实用，能方便地为模拟 - 数字转换器（ADC）提供参考电压，同时为输入的双极性信号提供偏置电压。

2. 出色的温度漂移性能

在 - 40°C 至 125°C 的宽温度范围内，其最大温度漂移仅为 8 ppm/°C，这意味着芯片输出电压随温度变化的波动极小，能在不同环境温度下保持高度的稳定性。例如在一些工业现场的电子设备中，环境温度变化较大，REF20xx就能很好地保证系统的精度。

3. 高初始精度

初始精度最高可达 ±0.05%，这使得芯片在启动时就能提供非常精确的输出电压，减少了系统的初始误差。对于对精度要求极高的测量仪器等设备来说，这一特性至关重要。

4. (V{REF})和(V{BIAS})的跟踪性能

在 - 40°C 至 85°C 范围内，(V{REF})和(V{BIAS})的跟踪精度最高可达 6 ppm/°C；在 - 40°C 至 125°C 范围内，最高可达 7 ppm/°C。这保证了两个输出电压在不同温度下能保持良好的一致性。

5. 其他特性

• 微型封装：采用 SOT23 - 5 封装，体积小巧，节省电路板空间，适合用于对空间要求较高的设计。
• 低压差电压：仅 10 mV 的压差电压，允许在非常低的输入电压下工作，这对于电池供电系统尤为重要，能有效延长电池的使用寿命。
• 高输出电流：每个输出可提供 ±20 mA 的输出电流，能满足大多数负载的需求。
• 低静态电流：静态电流仅为 360 μA，功耗较低，有助于降低整个系统的能耗。
• 出色的线性和负载调节能力：线性调节率为 3 ppm/V，负载调节率为 8 ppm/mA，能有效减少因输入电压和负载变化而引起的输出电压波动。

二、REF20xx芯片技术原理剖析

REF20xx是一款双输出的带隙电压基准芯片。其基本带隙拓扑结构中，通过对晶体管(Q_1)和(Q_2)进行偏置，使(Q_1)的电流密度大于(Q2)。两者基极 - 发射极电压差((V{BE1}-V_{BE2}))具有正温度系数，将其加在电阻(R_5)上，经过放大后与具有负温度系数的(Q2)基极 - 发射极电压相加，得到几乎与温度无关的带隙输出电压。然后，通过两个独立的缓冲器从带隙电压中生成(V{REF})和(V_{BIAS})，并且通过合理设计电阻(R_1)、(R_2)和(R_3)、(R4)的大小，使得(V{BIAS}=V_{REF}/2)。

在制造的最后阶段，芯片采用了 e - Trim™ 方法对(V{REF})和(V{BIAS})的初始精度和温度系数进行封装级微调。这种方法能有效减少晶体管固有失配以及封装成型过程中引入的误差，从而使芯片的温度漂移最小化，初始精度最大化。

三、REF20xx芯片典型应用案例

1. 低边电流检测应用

设计要求

某系统的设计要求为：电源电压 5.0 V，负载电流 ±2.5 A，输出电压范围 250 mV 至 2.75 V，最大分流电压 ±25 mV。

详细设计过程

• 分流电阻选择：根据公式(R{SHUNT(max)}=frac{V{SHUNT(max)}}{I{LOAD(max)}})，已知最大分流电压为 ±25 mV，负载电流范围为 ±2.5 A，可计算出最大分流电阻为(R{SHUNT(max)}=frac{25mV}{2.5A}=10mOmega)。为了减少温度对电阻的影响，应选择低温度漂移的分流电阻；为了降低偏移误差，应选择公差最小的电阻，如 Y14870R01000B9W 电阻。
• 差分放大器选择：所选差分放大器应具备单电源（3 V）、参考电压输入、低初始输入失调电压((V_{OS}))、低漂移、固定增益以及能够进行低边检测（输入共模范围低于地）等特性。这里选择了 INA213 电流 - 分流监测器，它的所有特性都满足该应用的要求。相比之下，传统的仪表放大器（INAs）通常不具备足够的输入共模摆幅到地的能力，且需要外部电阻来设置增益，这对于低漂移应用来说不太理想；差分放大器通常输入偏置电流较大，在小负载电流时会降低解决方案的精度，且增益调节时使用的外部电阻也不利于低漂移应用。
• 电压基准选择：此应用要求电压基准具有双输出（如 3.0 V 和 1.5 V）、低漂移以及两个输出之间低跟踪误差的特性。REF2030 芯片非常适合这个应用，它的温度漂移为 8 ppm/°C，初始精度为 0.05%，能将电压基准带来的误差降至最低。而且两个输出之间的失配极小，在不同温度下的跟踪性能也非常好。

2. 其他应用领域

REF20xx芯片还广泛应用于电表、模拟输入模块、模拟输出模块、伺服驱动控制模块、断路器（ACB、MCCB、VCB）、临床数字温度计、实验室和现场仪器仪表、电池测试等领域。

四、REF20xx芯片使用注意事项

1. 焊接热漂移

由于制造 REF20xx 芯片的材料热膨胀系数不同，在焊接过程中，器件芯片会受到机械和热应力，导致输出电压发生漂移，影响产品的初始精度。在进行回流焊时，应注意选择合适的印刷电路板（PCB）尺寸、厚度和材料，以减少这种漂移。如果 PCB 需要进行多次回流焊，建议将芯片放在第二次回流焊中焊接，以减少其受到的热应力。

2. 静电放电（ESD）保护

该集成电路容易受到 ESD 损坏，因此在操作过程中必须采取适当的防静电措施。ESD 损坏可能导致芯片性能下降甚至完全失效，特别是对于精度要求较高的芯片，微小的参数变化都可能使其无法满足规格要求。

3. 电源和布局

• 电源：REF20xx 芯片具有极低的压差电压，可在仅比输出电压高 20 mV 的电源下工作。建议使用 0.1 μF 至 10 μF 的电源旁路电容，以减少电源噪声对芯片的影响。
• 布局：在 PCB 布局时，应在 REF2030 的(V{IN})、(V{REF})和(V_{BIAS})引脚连接低等效串联电阻（ESR）的 0.1 μF 陶瓷旁路电容；按照器件规格对系统中的其他有源器件进行去耦处理；使用实心接地平面有助于散热和减少电磁干扰（EMI）噪声；将外部组件尽可能靠近芯片放置，以防止寄生误差（如塞贝克效应）的产生；尽量缩短参考和偏置连接到 INA 和 ADC 的走线长度，以减少噪声拾取；避免敏感的模拟走线与数字走线平行，尽可能避免数字和模拟走线交叉，必要时进行垂直交叉。

REF20xx系列电压基准芯片以其出色的性能和丰富的特性，为电子工程师在设计高精度、高稳定性的电路系统时提供了一个优秀的选择。在使用过程中，只要我们充分了解其特性和注意事项，就能充分发挥其优势，设计出更加优秀的电子系统。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。