有許多應(yīng)用，例如現(xiàn)場傳感器，需要長時間的基準電壓源具有高精度。快速更換這些設(shè)備通常是不合理的，而且很多時候是不可能的。在使用基準電壓源的現(xiàn)場傳感器的惡劣環(huán)境中，電氣系統(tǒng)中監(jiān)測和測量石油、天然氣、壓力和/或溫度的關(guān)鍵設(shè)備是看似微不足道的基準電壓源。這些應(yīng)用中的基準電壓源必須滿足嚴格的規(guī)格，以保持所有測量和計算的絕對基準點。在此設(shè)計解決方案中，您將看到密封陶瓷基準電壓源，具有出色的濕度敏感性和可忽略不計的長期漂移，這兩個變量使其成為需要長時間高精度應(yīng)用的絕佳選擇。

介紹

在這種 21 世紀的環(huán)境中，我們每年都會更換小工具，并期望它們正常工作，即使它們不會持續(xù)那么長時間。它們通常只能存活到下一個修訂版出來，但這似乎是大多數(shù)人可以接受的。相比之下，有許多應(yīng)用，例如現(xiàn)場傳感器，需要長時間的高精度。快速更換這些設(shè)備通常是不合理的，而且很多時候是不可能的。

在現(xiàn)場傳感器的惡劣環(huán)境中，電氣系統(tǒng)中監(jiān)測和測量石油、天然氣、壓力和/或溫度的關(guān)鍵設(shè)備是看似微不足道的基準電壓源。在這些系統(tǒng)中，基準電壓源的作用是通過為所有測量和計算保持絕對基準點來充當模擬看門人。考慮到這些系統(tǒng)所經(jīng)歷的極端工作條件，這可能是一個相當大的挑戰(zhàn)。

在本文中，我們不僅將討論相對濕度（RH）和長期漂移（LTD）這兩個關(guān)鍵環(huán)境變量隨時間變化的影響，還將討論基準電壓守門人和使這些變量“非問題”的成功解決方案的影響。

基準電壓柵網(wǎng)

從根本上說，系統(tǒng)精度取決于基準電壓器件。例如，系統(tǒng)的模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用基準電壓來產(chǎn)生數(shù)字結(jié)果，其中基準電壓值是輸出數(shù)字字的組成部分（圖 2）。

圖2.SAR ADC 信號路徑 （a） 和 ΔΣ ADC 信號路徑 （b） 都需要電路中的基準電壓源 （REF）。

在圖 2 中，左列顯示了一些比較流行的傳感器。這些信號可以通過（A）路徑，以逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC）結(jié)束，也可以通過（B）路徑，以Δσ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ΔΣ ADC）結(jié)束。兩個轉(zhuǎn)換器都需要一個精密基準電壓源（REF）來完成轉(zhuǎn)換。

在與SAR ADC的信號路徑（A）和與ΔΣ ADC的信號路徑（B）中，轉(zhuǎn)換器的LSB大小等于：

（公式1）

其中 LSB = 最低有效位

V裁判= 基準電壓

N = ADC 位數(shù)

從公式1可以清楚地看出，基準電壓源對轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的精度有直接影響。

濕度和漂移與時間的關(guān)系

在現(xiàn)場傳感器應(yīng)用中，隨著時間的推移，電子設(shè)備可能會經(jīng)歷較大的濕度偏移。例如，珠穆朗瑪峰大本營的相對濕度全年最高可達98%至20%。這相當于 78% 的相對濕度增量。在這種環(huán)境中使用系統(tǒng)，保證設(shè)備精度至關(guān)重要。

實現(xiàn)此保證的途徑是使用最穩(wěn)定的基準電壓源。通過單獨查看基準電壓源，可以預(yù)測系統(tǒng)隨時間推移的穩(wěn)定性。

塑料電壓基準性能

以下濕度室測試結(jié)果顯示了兩組供電電壓基準的電壓精度，以RH、漂移和經(jīng)過時間作為變量。

圖3顯示了濕度箱測試期間的環(huán)境條件。灰線表示相對穩(wěn)定的溫度，約為+26.5°C，藍線表示相對濕度隨時間的變化。從大約 600 小時開始，腔室濕度從 45% 變?yōu)?28%。

圖3.腔室相對濕度在 28% 和 45% 之間波動。

圖4顯示了第一組被測基準電壓源的精度變化。

濕度敏感性是基準電壓源精度變化程度與所施加的相對濕度變化的絕對值。計算出的濕度敏感性等于精度的增量變化除以RH的增量變化。

圖4.16個SOT23塑料MAX6070測試結(jié)果為基準電壓，采用塑料封裝。

一旦相對濕度恢復(fù)到45%，基準電壓源精度將繼續(xù)遵循原始漂移誤差趨勢，隨著時間的推移而減小。

1300小時時的總變化約為75ppm。在此期間，平均精度變化約為 75ppm/1300 小時 = 5.8% （ppm/小時）。

在這種環(huán)境下，24位轉(zhuǎn)換器和2.5V基準電壓源在~109 LSB的濕度偏移期間將產(chǎn)生滿量程誤差。

該測試說明了 17% 相對濕度增量的影響。在珠穆朗瑪峰的底部，每年有78%的相對濕度三角洲。在珠穆朗瑪峰的基本條件下，相對濕度的變化會導(dǎo)致~500 LSB的滿量程誤差。

陶瓷性能

圖5顯示了在相同條件下測試的密封陶瓷封裝中第二組基準電壓源的精度變化。

圖5.16個MAX6079電壓基準測試結(jié)果，用于陶瓷封裝的電壓可靠性。

在 600 到 700 小時的時間范圍內(nèi)，準確性似乎略有變化，但并不顯著。對于該測試組，濕度敏感性極小。換句話說，相對濕度每變化1%，對基準電壓源精度的影響將非常小。

一旦相對濕度恢復(fù)到45%，基準電壓源精度將繼續(xù)保持穩(wěn)定。整個1300小時基本上沒有變化。對于需要運行超過 10 年或 15 年的許多不同系統(tǒng)來說，這種低漂移水平是非常理想的。

陶瓷精度

采用密封陶瓷封裝的基準電壓源提供了適用于現(xiàn)場傳感器應(yīng)用的高精度解決方案。高精度因素體現(xiàn)在精度、長期穩(wěn)定性和極低的濕度敏感性方面。

圖6.基準電壓源 （U5），采用陶瓷封裝。

陶瓷基準電壓源（圖 6）具有可靠性，即使長時間暴露在相對濕度下也是如此。陶瓷封裝的密封性創(chuàng)造了完美的濕度屏蔽，具有出色的溫度系數(shù) （6ppm/°C、25ppm/°C）、低噪聲 （5μV）有效值， 64μV有效值）、高精度（±0.04%，0.1%）和低電源電流（200μA，~70μA）規(guī)格。

獲獎規(guī)格

現(xiàn)場傳感器應(yīng)用需要長時間的高精度。壓力和溫度測量系統(tǒng)通常存在于需要可靠基準電壓源以維持測量一致性的環(huán)境中。

這些應(yīng)用系統(tǒng)中的基準電壓源必須滿足嚴格的規(guī)格，以保持所有測量和計算的絕對基準點。測試證明，密封陶瓷封裝具有出色的濕敏化性和可忽略不計的長期漂移，這兩個變量使其成為需要長時間高精度應(yīng)用的絕佳選擇。

審核編輯：郭婷