XFET™ 参考

为了使模拟信号表示（或由其表示）数字，需要参考（通常是电压）来转换标度。 因此，A/D 转换器产生一个与模拟信号与参考电压之比成正比的数字； D/A 转换器产生的输出是满量程电压或电流的一小部分，由参考建立。 如果参考信号产生 +1% 的误差，则会导致比例系统误差：DAC 的模拟输出将增加 1%，而 ADC 的数字输出将减少 1%。 在需要绝对测量的系统中，系统精度高度依赖于参考的精度。 在高分辨率数据采集系统中，特别是那些必须在很宽的温度范围内工作的系统，高稳定性参考是必须的。 任何转换器的精度都受到其参考电压的温度敏感性和长期漂移的限制。 如果允许参考电压产生的误差仅相当于最低有效位的 1/2（1 LSB = 满量程的 2-n），那么看到参考必须有多好可能会令人惊讶，即使对于小的温度偏移。 当温度变化很大时，参考设计是一个主要问题。 例如，自动校准的真 16 位 A/D 转换器的 LSB 为满量程的百万分之 15.2 (ppm)。 为了使 ADC 具有 16 位的绝对精度，整个工作温度范围内的电压基准误差必须小于或等于 1/2 LSB，即 7.6 ppm。 如果参考漂移为 1 ppm/°C，则（忽略所有其他误差源）总温度摆幅不得超过 7.6°C，以保持真正的 16 位精度。 另一个经常被忽视的误差来源是参考噪声； 保持较低（通常小于 1/4 LSB）对于高精度至关重要。 基准温度系数的非线性和较大的热滞后是其他误差源，可显着影响整体系统精度。 参考类型齐纳*二极管：多年来广泛使用的是温度补偿齐纳二极管，它由器件表面的基极-发射极结的反向击穿产生。 齐纳二极管具有恒定的压降，尤其是在用于可以提供源自较高电源电压的恒定电流的电路中时。 齐纳二极管有多种电压选择：从大约 6 V 到 200 V，容差为 1.0% 到 20%，功耗从几分之一瓦到 40 或 50 W。 然而，它们有许多缺点。 它们通常需要额外的电路来获得低输出阻抗，低成本器件的电压耐受性一般较差； 它们噪音很大，对电流和温度的变化非常敏感，并且容易随时间变化。 埋地或地下齐纳二极管是精确 IC 器件的首选参考源。 在次表面齐纳参考中，反向击穿区域被保护性扩散覆盖，以使其远低于表面发现的杂质、机械应力和晶体缺陷。 由于这些效应会导致噪声和长期不稳定性，埋入式击穿二极管比表面齐纳二极管噪声更小且更稳定。 但是，它需要至少 6 V 的电源，并且必须消耗数百微安电流才能将噪声保持在实用水平。 *注：参考二极管可以使用两种击穿现象，齐纳和雪崩。 大多数参考二极管采用更高电压的雪崩模式，但都被称为“齐纳”二极管。 带隙：另一种流行的电压基准设计技术使用带隙原理：任何硅晶体管的 Vbe 具有大约 2 mV/°C 的负温度系数，可以在绝对零值（硅的带隙电压）下外推到大约 1.2V . 在不同电流密度下运行的匹配晶体管之间的基极-发射极电压差异将与绝对温度 (PTAT) 成正比。 该电压加到具有负温度系数的 Vbe 上，将实现恒定带隙电压。 该温度不变电压可用作并联连接 (AD1580) 中的“低压齐纳二极管”。 更常见的是，它被放大和缓冲以产生标准电压值，例如 2.5 或 5 V。 带隙电压基准自推出以来得到了高度的改进并得到广泛应用； 但它缺乏当今许多电子系统所要求的精度。 实用的带隙基准并不因良好的噪声性能而著称，表现出相当大的温度滞后，并且具有依赖于至少一个片上电阻器绝对值的长期稳定性。 新原理——XFET™：随着使用 5V 电源的系统的激增以及在 3V 及以下电压下运行的需求不断增长，IC 和系统设计人员需要能够在远低于 6V 的电源轨上运行的高性能电压基准埋入式齐纳二极管所需的 >XNUMX V。 这种设备必须将低功耗操作与低噪声和低漂移相结合。 还需要线性温度系数、良好的长期稳定性和低热滞后。 为了满足这些需求，我们创建了一种新的参考架构来提供这种非常需要的电压参考。 该技术被称为 XFET™（eXtra 注入 FET），可产生需要低电源电流的低噪声基准，并提供改进的温度系数线性度和低热滞后。 XFET 参考的核心由两个结型场效应晶体管组成，其中一个具有额外的沟道注入以提高其夹断电压。 由于两个 JFET 在相同的漏极电流下运行，夹断电压的差异被放大并用于形成高度稳定的电压参考。 固有参考电压约为 500 mV，负温度系数约为 120 ppm/K。 该斜率基本上锁定在硅的介电常数上，并通过添加以与用于补偿带隙参考的绝对温度成正比 (PTAT) 项相同的方式生成的校正项来密切补偿。 然而，XFET 的固有温度系数比带隙的固有温度系数低三十倍。 因此，需要的校正要少得多。 这往往会产生更少的噪声，因为带隙基准的大部分噪声来自温度补偿电路。 温度校正项由电流 IPTAT 提供，它与绝对温度成正比（图 1）。 图1。 ADR29x 参考的简化示意图。 ADR29x 系列是不断增长的基于 XFET 架构的参考系列中的第一个。 它们采用 2.7 至 15 V 的电源轨运行，电流仅为 12 µA。 输出电压选项包括 2.048 V (ADR290)、2.5 V (ADR291)、4.096 V (ADR292) 和 5 V (ADR293)。 新技术的成果：XFET 电路拓扑结构比大多数带隙和齐纳参考电压具有显着优势。 在相同电流下工作时，频率在 0.1 到 10 Hz 之间的 XFET 基准的峰峰值噪声电压通常比带隙噪声电压低 3 倍（参见 REF192 和 ADR291 之间的比较）。 或者，带隙基准通常需要以 XFET 基准电源电流的 20 倍运行，以提供等效的峰峰值噪声性能（ADR291 与 AD680）。 XFET 基准在扩展的工业工作温度范围内具有非常平坦或线性的温度系数。 最好的带隙和齐纳电压基准通常在极端温度下具有非线性温度系数。 这些非线性在部件之间并不一致，因此不能使用简单的 ROM/软件查找表进行温度系数校正。 温度系数线性度是 DVM 应用的一个非常重要的规格。 XFET 的另一个主要优势是其出色的长期稳定性。 它的漂移小于带隙参考的五分之一，与齐纳参考的漂移相当（见表）。 表1。 齐纳、带隙和 XFET 参考参数比较 参数 ADR291 AD586 AD680 REF192 参考拓扑 XFET 埋入式齐纳带隙带隙电源电压 (V) +3.0 +15.0 +5.0 +3.3 电压输出 (V) 2.5 5 2.5 2.5* 最大精度 (mV) ±2 ±2 ±5 ±2 温度系数 (ppm/°C)* 最大值 8 (-25 至 +85) 2 (0 至 +70) 20 (-40 至 +85) 5 (-40 至 +85) 噪声电压 0.1 至 10 Hz (µV pp) 8 4 10 25 最大静态电流 (µA)，25°C 12 3000 250 45 线路调整率 (ppm/V)*，最大 100 100 40 4 负载调整率 (ppm/mA)* 最大100 100 100 10 工作温度范围 (°C) -40 至 +125 -40 至 +85 -40 至 +85 -40 至 +85 *顶级 尽管静态电流低，但 ADR29x 系列能够提供 5 mA 至来自低压差 PNP 输出级的负载； 并且不需要输出去耦电容。 XFET 设计的热滞后比带隙设计要好得多。 当受到 200 开尔文热冲击时，生产设备表现出大约 100 µV 的可恢复和非累积偏移。 500 到 1000 µV 的可比带隙偏移。 ADI 专有的 XFET 架构在要求精度、稳定性和低功耗的便携式系统中提供的整体性能优势是现有带隙或齐纳基准所无法比拟的。 应用电流源：ADR29x 系列适用于许多低功耗、低电压精密基准应用，包括负基准和“增强”精密稳压器，使用外部低静态轨到轨放大器和开尔文反馈连接。 低且不灵敏的静态电流（在整个温度范围内约为 12 ± 2 µA）允许 ADR29x 系列成员用作精密电流源，在低电源电压下工作。 图 2 显示了带有接地负载的浮动电流源的基本连接。 精确调节的输出电压导致 (VOUT/RSET) 的电流流过 RSET，它是固定和可调外部电阻的总和。 该电流 <5 mA，添加到静态电流以形成通过 RL 的负载电流。 因此，可以将 12 µA 至 5 mA 的可预测电流编程为流过负载。 图2。

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