什么是參考電壓

　　參考電壓是指電路中一個(gè)與負(fù)載、功率供給、溫度漂移、時(shí)間等無(wú)關(guān)，能保持始終恒定的一個(gè)電壓。參考電壓可以被用于電源供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)壓器，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，以及許多其他測(cè)量、控制系統(tǒng)。參考電壓的大小在不同的應(yīng)用中有所不同，例如在一般的計(jì)算機(jī)電源供應(yīng)系統(tǒng)里，參考電壓誤差不大于其標(biāo)稱值附近百分之一至百分之幾間，而實(shí)驗(yàn)室的參考電壓標(biāo)準(zhǔn)則擁有更高的、以百萬(wàn)分率度量的穩(wěn)定性和精確度。

　　參考電壓的基本原理

　　理想的參考電壓源應(yīng)不受電源和溫度的影響，在電路中能提供穩(wěn)定的電壓，“基準(zhǔn)”這一術(shù)語(yǔ)正說(shuō)明參考電壓源的數(shù)值應(yīng)比一般電源具有更高的精度和穩(wěn)定性。

　　一般情況下，可用電阻分壓作為參考電壓，但它只能作為放大器的偏置電壓或提供放大器的工作電流。這主要是由于其自身沒(méi)有穩(wěn)壓作用，故輸出電壓的穩(wěn)定性完全依賴于電源電壓的穩(wěn)定性。另外，也可用二極管的正向壓降作為參考電壓，它可克服上述電路的缺點(diǎn)，得到不依賴于電源電壓的恒定參考電壓，但其電壓的穩(wěn)定性并不高，且溫度系數(shù)是負(fù)的，約為-2mV/℃。還可用硅穩(wěn)壓二極管（簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管或齊納管）的擊穿電壓作為參考電壓，它可克服正向二極管作為參考電壓的一些缺點(diǎn)，但其溫度系數(shù)是正的，約為+2mV/℃ 。因此，以上幾種均不適用于對(duì)參考電壓要求高的場(chǎng)合。于是，在這種迫切的市場(chǎng)需求和設(shè)計(jì)者的不斷努力下，高精度的參考電壓源應(yīng)運(yùn)而生，并且種類繁多。

　　為什么需要參考電壓

　　我們以ADC來(lái)舉例說(shuō)明為什么需要參考電壓。

　　這個(gè)參考電壓也叫做基準(zhǔn)電壓，如果沒(méi)有基準(zhǔn)電壓，就無(wú)法確定被測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確幅值。例如基準(zhǔn)電壓為2.5V，則當(dāng)被測(cè)信號(hào)達(dá)到2.5V時(shí)ADC輸出滿量程讀數(shù)，使用者就會(huì)知道ADC輸出的滿量程等于2.5V。不同的ADC，有的是外接基準(zhǔn)，也有的是內(nèi)置基準(zhǔn)無(wú)需外接，還有的ADC外接基準(zhǔn)和內(nèi)置基準(zhǔn)都可以用，但外接基準(zhǔn)優(yōu)先于內(nèi)置基準(zhǔn)。

　　如何找到正確的電壓參考設(shè)計(jì)

　　在您努力想要找到正確的電壓參考設(shè)計(jì)時(shí)，高分辨率混頻信號(hào)器件會(huì)帶來(lái)一個(gè)有趣的挑戰(zhàn)。盡管沒(méi)有一款適合所有電壓參考設(shè)計(jì)的通用解決方案，但是圖 1 所示電路還是為您的 16 位以上的轉(zhuǎn)換器提供了一款不錯(cuò)的解決方案。

　　圖 1 16 位以上ADC電壓參考電路

　　高分辨率轉(zhuǎn)換器存在的一些問(wèn)題是電壓參考噪聲、穩(wěn)定性，以及該參考電路驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換器電壓參考引腳的能力。R1、C2 和 C3 無(wú)源濾波器隨電壓參考噪聲急劇下降。這種低通濾波器的轉(zhuǎn)角頻率為 1.59Hz。該濾波器可減少寬帶噪聲和極低頻噪聲。附加 R-C 濾波器使噪聲水平降至20位ADC的可控范圍以內(nèi)。這一結(jié)果令人鼓舞。但是，如果電流受到拉力，從 ADC 參考引腳流經(jīng) R1，則壓降會(huì)破壞轉(zhuǎn)換，因?yàn)槊總€(gè)位判定 （bit decision） 都有一次壓降（請(qǐng)參見參考文獻(xiàn) 1）。

　　圖 1 所示電路圖有一個(gè)運(yùn)算放大器 （op amp），旨在“隔離”C2、R1 和 C3 低通濾波器，并為 ADC 的電壓參考引腳提供足夠的驅(qū)動(dòng)力。25℃ 時(shí)，CMOS 運(yùn)算放大器 （OPA350） 的輸入偏置電流為 10 pA。這一電流與 R1（10 kΩ）共同產(chǎn)生一個(gè) 100 nV 的恒定 DC 壓降。這種水平的壓降不會(huì)改變 23 位 ADC 的最終位判定。運(yùn)算放大器的輸入偏置電流隨溫度變化而改變，這是實(shí)際情況，但在 125℃ 溫度下您可以預(yù)計(jì)一個(gè)不超過(guò) 10 nA 的最大電流值，其在 100℃ 溫度范圍產(chǎn)生 100 μV 的變化。

　　我們需要將 R1 的這種壓降考慮進(jìn)來(lái)。該壓降會(huì)增加電壓參考器件的誤差。假設(shè)電壓參考電路的初始誤差為 ±0.05%，且誤差溫度為 3 ppm/℃。參考電壓為 4.096 伏時(shí)，室溫下初始電壓參考誤差等于 2.05 mV，125℃ 時(shí)增加 1.23 mV。圖 1 所示電路中，隨著運(yùn)算放大器偏移和輸入偏置電流誤差的變化，參考電壓器件占主導(dǎo)地位。連接至圖 1 所示電路的 ADC，承受的誤差是參考電壓、R1 和 OPA350（增益誤差）所產(chǎn)生誤差的和。

　　運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)一個(gè)10 μF 電容器 （C4） 和 ADC 的電壓參考輸入引腳。位于 C4 上的電荷提供 ADC 轉(zhuǎn)換期間所需的電荷。在 AD C的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換期間，C4 容量的大小為 ADC 的參考引腳提供一種恒定的電壓參考，其通常具有約 2 到 50 pF 的輸入電容。

　　圖 1 所示電路中，需要注意的最后一點(diǎn)。C4 和運(yùn)算放大器開環(huán)輸出電阻 （RO） 改變放大器的開環(huán)增益 （AOL） 曲線時(shí)，您可以對(duì)放大器的穩(wěn)定性做折中處理。參考文獻(xiàn) 2 中的討論說(shuō)明了找出這一問(wèn)題的過(guò)程。基本上而言，具有較好穩(wěn)定性的電路是改進(jìn)運(yùn)算放大器 AOL 曲線和閉環(huán)電壓增益曲線的閉合速率為 20dB 的電路。

　　圖 2 圖 1 所示 OPA350 緩沖頻率響應(yīng)

　　該穩(wěn)定電路中，極點(diǎn)和零點(diǎn)的頻率位置計(jì)算如下，其中 OPA350 的開環(huán)輸出電阻為 50Ω （RO），而 C4 （RESR） 的 ESR 為 2 mΩ。

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