AN-0003：非常规电压基准输出参考设计

概述

 

在实际应用中，系统设计工程师需要产生非标准输出电压值的电压基准源，或者需要将不同模块的电压基准源以一个特定的基准源作为统一的信号源基准以使各模块相关并获得最佳的系统性能。
为达到以上目的，最大的挑战是信号调理外围器件对于高性能电压基准源温度系数及初始误差造成的影响。外部的放大器和电阻都会影响电路的温度系数和初始误差从而导致电路无法保证高性能。
本文提供了三种经过验证的特殊需求精密电压基准源的设计：产生负电压基准源、产生两倍输出的电压基准源及产生多个相关的电压基准源输出。

 

 

关键指标定义

 

电压基准源往往作为模块及系统的基准，直接关系到系统的性能。治精微已经推出了两个系列的高性能电压基准源：供电电压可达15 V的ZJR1000系列及供电电流130 μA的低功耗ZJR1001、ZJR1002、ZJR1003系列。它们均可达到在-40 ºC至125 ºC温度范围内优于5 ppm/ºC的温度系数，初始精度优于±0.05 %，其综合性能达到业界先进水平。

温度系数

 

表征器件的温度特性。它用25 ºC时的输出电压对工作温度范围内的输出电源变化进行归一化处理，以ppm/ºC为单位，计算公式如下：

其中：

V_OUT(25)：25 ºC时的输出电压。

V_OUT(min)：在温度T₁至T₂范围内的最低输出电压。

V_OUT(max)：在温度T₁至T₂范围内的最高输出电压。

对于治精微的电压基准源，一般情况下，温度T₁为-40 ºC，T₂为+125 ºC。

 

ZJA3676是单位增益36 V差动放大器。它具备优于104 dB的共模抑制比(CMRR)，550 kHz的带宽以及仅为330 µA的供电电流。在产生特殊电压基准源的电路中主要用到其超低增益温度系数(0.04 ppm/ºC)、优秀的失调电压温度系数 (0.5 μV/ºC) 特性和体积小的特点。

 

方案A：产生两倍输出电压的电压基准源

 

图1电路将ZJA3676接成了增益为2的结构，从而可以产生两倍输出的精密电压基准源。这样的设计可以同时获得精密电压基准源输出和高性能的两倍电压基准源。

精密电压基准源是ZJR1000-9(2.5 V输出)，外接电源15 V，ZJA3676供电电压为±15 V。通过差动放大器ZJA3676两倍放大之后输出5 V基准电压。

 

 

图1  利用ZJR1000-9, ZJA3676 产生2倍输出基准源

 

由图2可见，在-40 ºC至125 ºC温度范围内，在添加ZJA3676之后，两倍电压输出的温度系数与ZJR1000-9本身的温度系数基本没有变化。从而用户可以通过此电路获得两路相关的高性能电压基准V_REF及2*V_REF。

图2.  利用ZJR1000-9, ZJA3676产生相关的V_REF及2*V_REF的高性能电压基准源的温度曲线

 

方案B：利用差动放大器产生负输出电压的电压基准源

 

图3的电路可以产生负输出的精密电压基准源。在验证时使用的电压基准源是ZJR1000-9(2.5 V输出)，外接电源15 V，ZJA3676供电电压为±15 V。基准源输出电压通过差动放大器ZJA3676反向(即ZJA3676增益为-1)后输出-2.5 V基准电压。

 

图3.  利用ZJR1000-9及ZJA3676产生负压输出基准源

由图4可见，在-40 ºC至125 ºC温度范围内，在添加ZJA3676之后，-V_REF的温度系数与ZJR1000-9本身的温度系数基本没有变化。从而用户可以通过此电路获得两路相关的高性能电压基准V_REF及-V_REF。

图4.  利用ZJR1000-9及ZJA3676产生V_REF及-V_REF高性能电压基准源的温度曲线

 

方案C：利用一片精密电压基准源产生负输出电压基准源

 

图5的电 路可以产 生负输出的精密电压基准源。它的好处是外接器件少，而且外接器件R不影响输出的温度系数。此电路对于治精微的ZJR1000、ZJR1001、ZJR1002及ZJR1003系列都适用。

验证时使用ZJR1003-9，外接电源±5 V(Vcc=5 V, Vee=-5 V)。需要注意与引脚GND连接的电阻R的电流和功耗。其阻值为R，则流过的电流为(Vee-Vo)/R，功耗为 (Vee-Vo)²/R。尤其是在压差较大时，需要选择合适功率的电阻。由于其温度系数不影响负输出电压基准源的温度系数，从而可以用低成本的电阻。尽管如此，还是推荐使用低温漂的金属膜电阻以获得负输出基准源的低温度系数、低噪声和低成本。

 

图5.  利用ZJR1003产生负输出电压基准源

由图6可见，此电路可以获得优于5 ppm/℃的温度系数，与ZJR1003本身的性能相当。外接电阻R并不影响负电压基准源的温度系数。

图6.  利用ZJR1003-9产生负输出基准源的温度曲线

 

方案D：利用差动放大器产生负输出电压和两倍输出的电压基准源

在验证时使用的电压基准源是ZJR1000-9(2.5 V输出)，外接电源5 V。ZJA3676供电电压为±15 V。基准源输出电压通过分别是增益为-1和+2配置的两个差动放大器ZJA3676后输出-2.5 V和5 V基准电压。

图7.  利用ZJR1000-9和ZJA3676同时产生负压和两倍输出基准源

 

在添加ZJA3676之后，负输出及两倍输出的温度系数与ZJR1000-9本身的温度系数非常接近。获得了高质量的三个电压值输出的电压基准源。ZJA3676的输出电压及失调电压的温度系数得到了充分验证，几乎不影响信号调理后电路的主要性能。
 

图8.  利用ZJR1000-9及ZJA3676同时产生单倍、负压和两倍输出基准源的温度曲线

 

方案讨论

 

由此可见，以上4种方案产生的特定需求电压基准源的温度系数跟精密电压基准源本身的温度系数一致，可以在提供高性能特定需求的基准电压。

而相较于方案B(V_REF,ZJA3676 G=-1)，同样作为实现负输出的方案C(V_REF,电阻)的优势是该方案所需要的器件少，仅需要一个额外的低成本电阻即可；该方案可以降低电路的复杂程度以及制造成本。但方案C仅能提供一个电压输出，而方案B可以同时输出高性能的基准源及负电源两路基准电压。

同时，方案A (V_REF, ZJA3676 G=2)和方案B可以做到从同一个基准源输出同源的、两种高性能基准电压。这两者的温度曲线具备相关性。而方案D(V_REF, ZJA3676 G=2及G=-1)则是将方案A与方案B结合，做到了同时输出三种同源的高性能基准电压。这类方案将减少电路设计的复杂程度与后续调整的难度，保证了系统的稳定性。使用ZJA3676的一大优势是该器件几乎不会影响特殊需求电压基准的温度系数和初始误差。而且灵活使用ZJA3676/7(单位增益单/双通道)及ZJA3678/9(增益为0.5/2单/双通道)，可以获得其它增益值的高性能配置，具体请参考它们的数据手册。

 

 

方案	输出电压			输出是否同源
	-VREF	VREF	2*VREF
方案A (VREF, ZJA3676 G=2)		√	√	是
方案B(VREF, ZJA3676 G=-1)	√	√		是
方案C(VREF, 电阻)	√			/
方案D(VREF, ZJA3676 G=2及G=-1)	√	√	√	是