揭秘電壓基準(zhǔn)源：如何選擇才能確保電子系統(tǒng)穩(wěn)定如初？

高精度電壓基準(zhǔn)源是眾多電子設(shè)備和系統(tǒng)的重要組件，其性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。除了高精度這一特性之外，低溫漂、低噪聲、低功耗等特性同樣是電壓基準(zhǔn)源在應(yīng)對(duì)各類電子設(shè)備日益嚴(yán)苛要求時(shí)的必備要素。

納芯微的NSREF30/31xx系列電壓基準(zhǔn)源產(chǎn)品，憑借其卓越的性能與穩(wěn)定性，不僅能滿足電子設(shè)備不斷增長(zhǎng)的性能需求，更有助于客戶開(kāi)拓更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

如何選擇電壓基準(zhǔn)源芯片？

在選擇一顆作為基準(zhǔn)電壓的電壓基準(zhǔn)源芯片時(shí)，首先需要從系統(tǒng)架構(gòu)上考慮以下幾個(gè)要素：電源電壓、功耗預(yù)算、負(fù)載能力、溫度范圍和封裝尺寸等。

在滿足了系統(tǒng)的基本要求之后，需要進(jìn)一步考慮基準(zhǔn)源芯片的性能參數(shù)是否能夠滿足需求。高精度、低噪聲是電壓基準(zhǔn)源的基本性能要求，在不同的外界環(huán)境變化下，如溫度變化、環(huán)境應(yīng)力變化、時(shí)間變化等，基準(zhǔn)源也都需保持穩(wěn)定。這些外部因素都會(huì)影響電壓基準(zhǔn)源的性能，因此，有不同的性能參數(shù)用來(lái)標(biāo)定基準(zhǔn)源的性能高低，如初始精度、溫度漂移、噪聲、熱遲滯、長(zhǎng)期漂移、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率、輸入輸出電壓差等。

電壓基準(zhǔn)源的選擇要素（圖源：納芯微）

NSREF30/31xx系列的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

納芯微的電壓基準(zhǔn)源NSREF30/31xx產(chǎn)品具有高精度、低溫漂、低噪聲、低功耗特性，該系列包含NSREF30xx和NSREF31xx兩個(gè)子系列，每個(gè)子系列有6個(gè)不同型號(hào)，分別對(duì)應(yīng)6個(gè)輸出電壓選項(xiàng)。每款產(chǎn)品均有車規(guī)和工規(guī)型號(hào)，其中車規(guī)級(jí)產(chǎn)品滿足AEC-Q100 Grade1的可靠性要求，可在-40～125℃的嚴(yán)苛環(huán)境下工作。

溫度漂移是電壓基準(zhǔn)源最重要的參數(shù)之一，它是由電路缺陷和非線性引起的漂移，往往是非線性的。納芯微電壓基準(zhǔn)源采用了黑盒法（Box method）對(duì)溫度漂移進(jìn)行測(cè)量和標(biāo)定。

事實(shí)上，溫度漂移計(jì)算只是基于有限的溫度測(cè)量點(diǎn)來(lái)測(cè)量電壓的最大值和最小值，并沒(méi)有考慮這些極值發(fā)生在哪一個(gè)溫度點(diǎn)。因此，對(duì)于一個(gè)非線性的溫漂器件來(lái)說(shuō)，其溫度漂移指標(biāo)并不能用來(lái)說(shuō)明該器件在較窄的溫度范圍內(nèi)，其溫度漂移指標(biāo)會(huì)比標(biāo)定的更好。

NSREF30xx系列的溫漂典型值為10ppm/℃，最大值35ppm/℃。NSREF31xx系列的性能更高，溫漂典型值為5ppm/℃，最大值15ppm/℃，能夠保證在全溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度ADC采樣。在其他性能參數(shù)方面，兩個(gè)系列的基準(zhǔn)源產(chǎn)品表現(xiàn)同樣卓越。

NSREF30xx和NSREF31xx的溫漂性能表現(xiàn)（圖源：納芯微）

低噪聲是NSREF30/31xx系列的另一特色。電壓基準(zhǔn)源輸出電壓噪聲一般表現(xiàn)為低頻1/f噪聲和寬帶白噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中，寬帶噪聲可通過(guò)壓縮帶寬的手段來(lái)抑制；而低頻1/f噪聲在應(yīng)用中很難去除，是高精度測(cè)量的主要誤差之一。

NSREF30/31xx采用先進(jìn)的工藝及專門的低噪聲設(shè)計(jì)，2.5V輸出電壓時(shí)的1/f噪聲典型值僅為20μVpp（峰峰值），且噪聲分布相對(duì)收斂；1sigma值小于2μVpp，大大降低了低頻噪聲對(duì)ADC采樣誤差的影響。在保證低噪聲的前提下，NSREF30/31xx僅消耗140μA（典型值）電流，因此適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)變送器、電力、便攜式測(cè)量設(shè)備等應(yīng)用。

對(duì)比表明，在近似的靜態(tài)功耗和溫漂性能下，NSREF30/31xx系列產(chǎn)品的低頻1/f噪聲遠(yuǎn)低于市面上主流產(chǎn)品。

（圖源：納芯微）

NSREF30xx和NSREF31xx的低頻噪聲性能表現(xiàn)

得益于良好的環(huán)路設(shè)計(jì)，在輸入電壓僅比輸出電壓高1mV（典型值）時(shí)，NSREF30/31xx即可正常輸出工作電壓（NSREF3012/3112需要最低1.8V工作電壓），對(duì)電源（如電池供電）電壓可能出現(xiàn)降低的應(yīng)用場(chǎng)景非常友好。

此外，NSREF30/31xx具有源電流和吸電流能力（典型值±10mA）, 輸出端不接輸出電容也可以穩(wěn)定輸出電壓，不會(huì)因所接電容發(fā)生故障或失效而導(dǎo)致器件工作不正常，且能夠支持很寬的環(huán)路穩(wěn)定電容值范圍，從而適應(yīng)不同應(yīng)用電路和場(chǎng)景，拓展了其應(yīng)用范圍。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了減小電壓基準(zhǔn)源長(zhǎng)期漂移對(duì)系統(tǒng)精度的影響，通常需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)，但這樣會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)率降低等方面的問(wèn)題。因此，引入長(zhǎng)期漂移的性能指標(biāo)對(duì)精密系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。

長(zhǎng)期漂移是指電壓基準(zhǔn)源輸出電壓隨時(shí)間變化的漂移量，基準(zhǔn)源的長(zhǎng)期漂移主要是機(jī)械應(yīng)力和老化所致，早期漂移主要由機(jī)械應(yīng)力引入，通常會(huì)造成基準(zhǔn)源電壓出現(xiàn)較大的漂移。隨著時(shí)間的推移，封裝、焊接和芯片材料越來(lái)越穩(wěn)定，漂移量會(huì)越來(lái)越小。需要注意的是產(chǎn)品手冊(cè)標(biāo)定的長(zhǎng)期漂移，是指基準(zhǔn)源輸出電壓在前1000小時(shí)漂移量而非每1000小時(shí)漂移量。

NSREF30/31xx系列在35℃下前1000小時(shí)漂移量為100ppm（典型值），前2000小時(shí)漂移量為130ppm（典型值）。在估算更長(zhǎng)時(shí)間的漂移量時(shí)，可使用歸一化到1000小時(shí)漂移量的平方根公式LTD(h)來(lái)計(jì)算。

基準(zhǔn)源的長(zhǎng)期漂移性能表現(xiàn)（圖源：納芯微）

基準(zhǔn)源性能對(duì)ADC采集系統(tǒng)影響的分析

結(jié)合上述介紹的性能指標(biāo)，以NSREF3130為例，分析其性能對(duì)ADC采集系統(tǒng)的影響。系統(tǒng)誤差通常使用統(tǒng)計(jì)公差分析的平方根（RSS）法來(lái)計(jì)算。表格統(tǒng)計(jì)了NSREF3130的誤差項(xiàng)及誤差大小，方程式展示了使用平方根法計(jì)算的總誤差，并將基準(zhǔn)源總誤差轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)SB。本例省略了線性調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率等誤差。由方程式得出，對(duì)于12位ADC， NSREF3130的誤差貢獻(xiàn)為13LSB。

NSREF3130對(duì)ADC采樣精度的影響（圖源：納芯微）

通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)，可以消除初始精度帶來(lái)的誤差，同時(shí)溫度漂移和長(zhǎng)期漂移改善80%。由計(jì)算可得，校準(zhǔn)后的系統(tǒng)中NSREF3130帶來(lái)的總誤差僅為2LSB。

系統(tǒng)校準(zhǔn)后NSREF3130對(duì)ADC采樣精度的影響（圖源：納芯微）

進(jìn)一步拓展應(yīng)用邊界

納芯微電壓基準(zhǔn)源產(chǎn)品NSREF30/31xx系列，憑借其高精度、低溫漂、低噪聲、低功耗等諸多優(yōu)勢(shì)，贏得了客戶的高度認(rèn)可與好評(píng)。

該系列產(chǎn)品得益于先進(jìn)的制程工藝和獨(dú)到的設(shè)計(jì)理念，不僅實(shí)現(xiàn)了高初始精度，更在低溫漂特性上超越了同類市場(chǎng)產(chǎn)品，確保在全溫度范圍內(nèi)都能保持卓越的采樣精度。

NSREF30/31xx系列電壓基準(zhǔn)源擁有廣泛的應(yīng)用前景，可被應(yīng)用于光伏、工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字電源、充電樁等多個(gè)領(lǐng)域。它為客戶提供穩(wěn)定可靠的性能輸出，助力實(shí)現(xiàn)更高效、更精確的數(shù)據(jù)采集和處理，從而幫助客戶進(jìn)一步拓展其應(yīng)用邊界，探索更多可能。

審核編輯 黃宇