如何選擇電壓基準源芯片？電壓基準源誤差對ADC采集會有何影響？

高精度電壓基準源是眾多電子設備和系統的重要組件，其性能的優劣直接影響整個系統的穩定性和可靠性。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源在應對各類電子設備日益嚴苛要求時的必備要素。

本期將圍繞如何選擇電壓基準源芯片展開討論，并以納芯微電壓基準源芯片NSREF3130為例，詳細分析電壓基準源誤差對ADC采集系統會產生怎樣的影響。

納芯微的NSREF30/31xx系列電壓基準源產品，憑借其卓越的性能與穩定性，不僅能滿足電子設備不斷增長的性能需求，更有助于客戶開拓更為廣闊的應用領域。

如何選擇電壓基準源芯片？

在選擇一顆作為基準電壓的電壓基準源芯片時，首先需要從系統架構上考慮以下幾個要素：電源電壓、功耗預算、負載能力、溫度范圍和封裝尺寸等。

在滿足了系統的基本要求之后，需要進一步考慮基準源芯片的性能參數是否能夠滿足需求。高精度、低噪聲是電壓基準源的基本性能要求，在不同的外界環境變化下，如溫度變化、環境應力變化、時間變化等，基準源也都需保持穩定。這些外部因素都會影響電壓基準源的性能，因此，有不同的性能參數用來標定基準源的性能高低，如初始精度、溫度漂移、噪聲、熱遲滯、長期漂移、電壓調整率、負載調整率、輸入輸出電壓差等。

電壓基準源的選擇要素

NSREF30/31xx系列的產品優勢

納芯微的電壓基準源NSREF30/31xx產品具有高精度、低溫漂、低噪聲、低功耗特性，該系列包含NSREF30xx和NSREF31xx兩個子系列，每個子系列有6個不同型號，分別對應6個輸出電壓選項。每款產品均有車規和工規型號，其中車規級產品滿足AEC-Q100 Grade1的可靠性要求，可在-40～125℃的嚴苛環境下工作。

溫度漂移是電壓基準源最重要的參數之一，它是由電路缺陷和非線性引起的漂移，往往是非線性的。納芯微電壓基準源采用了黑盒法（Box method）對溫度漂移進行測量和標定。

事實上，溫度漂移計算只是基于有限的溫度測量點來測量電壓的最大值和最小值，并沒有考慮這些極值發生在哪一個溫度點。因此，對于一個非線性的溫漂器件來說，其溫度漂移指標并不能用來說明該器件在較窄的溫度范圍內，其溫度漂移指標會比標定的更好。

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實現高精度ADC采樣。在其他性能參數方面，兩個系列的基準源產品表現同樣卓越。

NSREF30xx和NSREF31xx的溫漂性能表現

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

NSREF30/31xx采用先進的工藝及專門的低噪聲設計，2.5V輸出電壓時的1/f噪聲典型值僅為20μVpp（峰峰值），且噪聲分布相對收斂；1sigma值小于2μVpp，大大降低了低頻噪聲對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，因此適合工業現場變送器、電力、便攜式測量設備等應用。

對比表明，在近似的靜態功耗和溫漂性能下，NSREF30/31xx系列產品的低頻1/f噪聲遠低于市面上主流產品。

NSREF30xx和NSREF31xx的低頻噪聲性能表現

得益于良好的環路設計，在輸入電壓僅比輸出電壓高1mV（典型值）時，NSREF30/31xx即可正常輸出工作電壓（NSREF3012/3112需要最低1.8V工作電壓），對電源（如電池供電）電壓可能出現降低的應用場景非常友好。

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定輸出電壓，不會因所接電容發生故障或失效而導致器件工作不正常，且能夠支持很寬的環路穩定電容值范圍，從而適應不同應用電路和場景，拓展了其應用范圍。

在實際應用中，為了減小電壓基準源長期漂移對系統精度的影響，通常需要進行定期校準，但這樣會導致生產率降低等方面的問題。因此，引入長期漂移的性能指標對精密系統的設計尤為重要。

長期漂移是指電壓基準源輸出電壓隨時間變化的漂移量，基準源的長期漂移主要是機械應力和老化所致，早期漂移主要由機械應力引入，通常會造成基準源電壓出現較大的漂移。隨著時間的推移，封裝、焊接和芯片材料越來越穩定，漂移量會越來越小。需要注意的是產品手冊標定的長期漂移，是指基準源輸出電壓在前1000小時漂移量而非每1000小時漂移量。

NSREF30/31xx系列在35℃下前1000小時漂移量為100ppm（典型值），前2000小時漂移量為130ppm（典型值）。在估算更長時間的漂移量時，可使用歸一化到1000小時漂移量的平方根公式LTD(h)來計算。

基準源的長期漂移性能表現

基準源性能對ADC采集系統影響的分析

結合上述介紹的性能指標，以NSREF3130為例，分析其性能對ADC采集系統的影響。系統誤差通常使用統計公差分析的平方根（RSS）法來計算。表格統計了NSREF3130的誤差項及誤差大小，方程式展示了使用平方根法計算的總誤差，并將基準源總誤差轉換為LSB。本例省略了線性調整率、負載調整率等誤差。由方程式得出，對于12位ADC， NSREF3130的誤差貢獻為13LSB。

NSREF3130對ADC采樣精度的影響

通過系統校準，可以消除初始精度帶來的誤差，同時溫度漂移和長期漂移改善80%。由計算可得，校準后的系統中NSREF3130帶來的總誤差僅為2LSB。

系統校準后NSREF3130對ADC采樣精度的影響

進一步拓展應用邊界

納芯微電壓基準源產品NSREF30/31xx系列，憑借其高精度、低溫漂、低噪聲、低功耗等諸多優勢，贏得了客戶的高度認可與好評。

該系列產品得益于先進的制程工藝和獨到的設計理念，不僅實現了高初始精度，更在低溫漂特性上超越了同類市場產品，確保在全溫度范圍內都能保持卓越的采樣精度。

NSREF30/31xx系列電壓基準源擁有廣泛的應用前景，可被應用于光伏、工業自動化、數字電源、充電樁等多個領域。它為客戶提供穩定可靠的性能輸出，助力實現更高效、更精確的數據采集和處理，從而幫助客戶進一步拓展其應用邊界，探索更多可能。

審核編輯：劉清