XFET參考

為了使模擬信號表示（或由數(shù)字表示），需要參考（通常是電壓）來轉換刻度。因此，A/D轉換器產生的數(shù)字數(shù)字與模擬信號與基準電壓之比成比例;D/A轉換器產生的輸出是滿量程電壓或電流的一小部分，由基準電壓源建立。如果參考信號產生+1%的誤差，則會導致成比例的系統(tǒng)誤差：DAC的模擬輸出將增加1%，ADC的數(shù)字輸出將減少1%。

在需要絕對測量的系統(tǒng)中，系統(tǒng)精度高度依賴于基準電壓源的精度。在高分辨率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，尤其是那些必須在寬溫度范圍內工作的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高穩(wěn)定性基準電壓源是必須的。任何轉換器的精度都受到其基準電壓源的溫度靈敏度和長期漂移的限制。如果允許基準電壓源產生僅相當于最低有效位 1/2 的誤差 （1 LSB = 2-n滿量程），即使對于小的溫度偏移，看到參考必須有多好可能會令人驚訝。當溫度變化很大時，參考設計是一個主要問題。

例如，自動校準的真正 16 位 A/D 轉換器的滿量程 LSB 為 15.2 ppm。要使ADC具有16位的絕對精度，整個工作溫度范圍內的基準電壓源誤差必須小于或等于1/2 LSB或7.6 ppm。如果基準電壓漂移為1 ppm/°C，則（忽略所有其他誤差源）總溫擺不得超過7.6°C，以保持真正的16位精度。經(jīng)常被忽視的花藥誤差源是參考噪聲;保持較低水平（通常小于1/4 LSB）對于高精度至關重要?；鶞孰妷涸礈囟认禂?shù)的非線性和較大的熱滯后是其他誤差來源，會顯著影響整體系統(tǒng)精度。

參考資料的類型

齊納*二極管：多年來廣泛使用的是溫度補償齊納二極管，它由器件表面的基極-發(fā)射極結反向擊穿產生。齊納二極管具有恒定的壓降，特別是當用于可以提供來自較高電源電壓的恒定電流的電路中時。齊納二極管提供多種電壓選擇：從大約 6 V 到 200 V，容差為 1.0% 到 20%，功耗從幾分之一瓦到 40 或 50 W。但是，它們有許多缺點。它們通常需要額外的電路來獲得低輸出阻抗，低成本器件的耐壓性通常較差;它們嘈雜，對電流和溫度的變化非常敏感，并且容易受到隨時間變化的影響。

埋入式或地下齊納是精密IC器件的首選參考源。在齊納次表面參考中，反向擊穿區(qū)域被保護性擴散覆蓋，以使其遠低于表面發(fā)現(xiàn)的雜質、機械應力和晶體缺陷。由于這些效應會導致噪聲和長期不穩(wěn)定，埋入式擊穿二極管比表面齊納二極管噪聲更小，更穩(wěn)定。但是，它需要至少6 V的電源，并且必須消耗數(shù)百微安的電流才能將噪聲保持在實際水平。

*注意：參考二極管可以使用兩種類型的擊穿現(xiàn)象，齊納和雪崩。大多數(shù)參考二極管采用更高電壓的雪崩模式，但都被稱為“齊納”二極管。

帶隙：另一種流行的基準電壓源設計技術使用帶隙原理：V是任何硅晶體管的負溫度系數(shù)約為2 mV/°C，在絕對零度（硅的帶隙電壓）下可以外推到約1.2V。在不同電流密度下工作的匹配晶體管之間的基極-發(fā)射極電壓差將與絕對溫度（PTAT）成正比。此電壓，加到 V是憑借其負溫度系數(shù)，將實現(xiàn)恒定的帶隙電壓。這種溫度不變電壓可用作并聯(lián)連接中的“低壓齊納二極管”（AD1580）。更常見的是，它被放大和緩沖以產生標準電壓值，例如2.5或5 V。帶隙基準電壓源自推出以來已獲得高度精細化并被廣泛使用;然而，它缺乏當今許多電子系統(tǒng)所要求的精度。實用帶隙基準電壓源的噪聲性能不佳，具有相當大的溫度遲滯，并且具有長期穩(wěn)定性，具體取決于至少一個片內電阻的絕對值。

新原理--XFET?： 隨著使用 5V 電源的系統(tǒng)激增，以及對在 3 V 及以下工作的需求不斷增長，IC 和系統(tǒng)的設計人員需要高性能基準電壓源，該基準電壓源可以采用遠低于埋式齊納二極管所需 >6 V 的電源軌工作。此類器件必須將低功耗操作與低噪聲和低漂移相結合。還需要線性溫度系數(shù)、良好的長期穩(wěn)定性和低熱滯后。為了滿足這些需求，我們創(chuàng)建了一個新的基準電壓架構來提供這種急需的基準電壓源。該技術被稱為XFET?（eXtra 植入式 FET），產生一個需要低電源電流的低噪聲基準，并提供改進的溫度系數(shù)線性度和低熱滯后。

XFET基準的內核由兩個結型場效應晶體管組成，其中一個晶體管具有額外的通道植入物，以提高其夾斷電壓。當兩個JFET以相同的漏極電流運行時，夾斷電壓差被放大并用于形成高度穩(wěn)定的基準電壓源。固有基準電壓約為500 mV，負溫度系數(shù)約為120 ppm/K。該斜率基本上鎖定在硅的介電常數(shù)中，并通過添加與用于補償帶隙基準電壓源的比例與絕對溫度（PTAT）相同的方式生成的校正項來密切補償。然而，XFET的固有溫度系數(shù)比帶隙低約<>倍。因此，需要的更正要少得多。這往往會產生更少的噪聲，因為帶隙基準電壓源的大部分噪聲來自溫度補償電路。溫度校正項由電流IPTAT，為正且與絕對溫度成比例（圖1）。

圖1.ADR29x基準電壓源的簡化原理圖

ADR29x系列是基于XFET架構的不斷壯大的基準電壓源系列中的首款。它們采用2.7至15 V電源軌供電，功耗僅為12 μA。 輸出電壓選項包括2.048 V （ADR290）、2.5 V （ADR291）、4.096 V （ADR292）和5 V （ADR293）。

新技術的成果：XFET電路拓撲結構比大多數(shù)帶隙和齊納基準電壓源具有顯著優(yōu)勢。在相同電流下工作時，XFET基準電壓源在0.1至10 Hz頻率下的峰峰值噪聲電壓通常比帶隙低3倍（參見REF192和ADR291之間的比較）?；蛘?，帶隙基準電壓源的供電電流通常為XFET基準電壓源的20倍，以提供等效的峰峰值噪聲性能（ADR291與AD680）。XFET 基準電壓源在擴展的工業(yè)工作溫度范圍內具有非常平坦或線性的溫度系數(shù)。最佳帶隙和齊納基準電壓源通常在極端溫度下具有非線性溫度系數(shù)。這些非線性在器件之間不一致，因此不能使用簡單的ROM/軟件查找表進行溫度系數(shù)校正。溫度系數(shù)線性度是DVM應用的一個非常重要的規(guī)格。XFET的另一個主要優(yōu)點是其出色的長期穩(wěn)定性。其漂移小于帶隙基準電壓源的五分之一，與齊納基準電壓源的漂移相當（見表）。

表 1.齊納、帶隙和XFET基準電壓源的比較

*上品

盡管靜態(tài)電流較低，但ADR29x系列能夠通過低壓差PNP輸出級向負載提供5 mA電流;并且不需要輸出去耦電容器。XFET設計的熱滯后比帶隙要好得多。生產器件在承受 200 開爾文熱沖擊時表現(xiàn)出大約 100 μV 的可恢復和非累積偏移，而在相當?shù)膸吨袆t表現(xiàn)出 500 至 1000 μV 的偏移。ADI專有的XFET架構在需要精度、穩(wěn)定性和低功耗的便攜式系統(tǒng)中提供的整體性能優(yōu)勢是現(xiàn)有帶隙或齊納基準電壓源無法比擬的。

應用-電流源：ADR29x系列適用于許多低功耗、低壓精密基準電壓源應用，包括負基準電壓源和“增強型”精密穩(wěn)壓器，采用具有開爾文反饋連接的外部低靜態(tài)軌到軌放大器。低且不敏感的靜態(tài)電流（在整個溫度范圍內約為12 ± 2 μA）允許ADR29x系列產品用作精密電流源，采用低電源電壓工作。

圖2顯示了帶有接地負載的浮動電流源的基本連接。精密調節(jié)輸出電壓導致電流 （V外/R設置），以流經(jīng) R設置，這是固定電阻和可調外部電阻的總和。該電流<5 mA，與靜態(tài)電流相加，形成通過R的負載電流L.因此，可以對12 μA至5 mA的可預測電流進行編程，以流過負載。

圖2.精密電流源。

審核編輯：郭婷