德州儀器REF31xx-Q1電壓基準源：高精度與低功耗的完美結合

在電子設計領域，電壓基準源是許多電路系統中不可或缺的關鍵組件，其性能的優劣直接影響到整個系統的精度和穩定性。德州儀器（TI）推出的REF31xx-Q1系列電壓基準源，以其卓越的性能和小巧的封裝，在眾多應用中展現出了強大的競爭力。今天，我們就來深入了解一下這款產品。

文件下載：ref31-q1.pdf

一、REF31xx-Q1的核心特性

1. 高可靠性與安全性

REF31xx-Q1通過了AEC-Q100認證，工作溫度范圍為 -40°C 至 125°C，能夠適應各種惡劣的汽車和工業環境。同時，它具有良好的靜電放電（ESD）防護能力，人體模型（HBM）ESD 分類等級為 H1C，充電設備模型（CDM）ESD 分類等級為 C4A，并且具備功能安全能力，還提供相關文檔以輔助功能安全系統設計。

2. 高精度與低漂移

該系列產品的精度極高，最大誤差僅為 0.2%。在溫度漂移方面表現出色，從 -40°C 到 +125°C 的最大漂移為 20ppm/°C，在 0°C 到 70°C 的主要應用溫度范圍內，典型漂移系數僅為 5ppm/°C，這使得它在不同溫度環境下都能提供穩定的輸出電壓。

3. 低功耗與高輸出能力

REF31xx-Q1的靜態電流極低，典型值為 100μA，最大值為 135μA，且在溫度和電源變化時非常穩定。同時，它能夠提供高達 ±10mA 的輸出電流，滿足多種負載需求。此外，它的壓差極低，空載時僅需比輸出電壓高 5mV 的電源即可正常工作（REF3112 除外，其最小電源要求為 1.8V）。

4. 低噪聲與無需輸出電容

REF31xx-Q1的輸出噪聲較低，例如在 0.1Hz 至 10Hz 頻率范圍內，REF3112-Q1 的噪聲為 17μVp-p/V。而且，該系列產品無需輸出電容，簡化了電路設計，降低了成本。

5. 豐富的電壓選項與小巧封裝

REF31xx-Q1提供了 1.2V、2V、2.5V、3V、3.3V、4V 等多種電壓選項，可滿足不同應用的需求。它采用了微小的 3 引腳 SOT-23 封裝，尺寸僅為 2.92mm × 2.37mm，非常適合對空間要求較高的便攜式和電池供電設備。

二、REF31xx-Q1的應用領域

1. 汽車電子

在混合動力汽車（HEV）/電動汽車（EV）動力系統中，REF31xx-Q1可用于汽車電池管理系統、逆變器和電動助力轉向系統等，為這些關鍵系統提供穩定的電壓基準，確保系統的精確控制和高效運行。在高級駕駛輔助系統（ADAS）中，如雷達系統、夜視系統、動態聚光燈和前置攝像頭等，它的高精度和低噪聲性能有助于提高系統的檢測精度和圖像質量。

2. 數據采集系統

數據采集系統通常需要穩定的電壓基準來保持精度，REF31xx-Q1的穩定性和寬電壓范圍使其適用于大多數微控制器和數據轉換器，為數據采集提供準確的參考電壓。

3. 便攜式設備

由于其低功耗和小巧的封裝，REF31xx-Q1非常適合用于便攜式、電池供電的設備，如手持儀器、可穿戴設備等，能夠延長設備的電池續航時間。

三、REF31xx-Q1的詳細技術分析

1. 工作原理

REF31xx-Q1是一系列基于CMOS工藝的精密帶隙電壓基準源。其基本帶隙拓撲結構通過對晶體管 Q1 和 Q2 進行偏置，使 Q1 的電流密度大于 Q2。兩者基極 - 發射極電壓之差（Vbe1 - Vbe2）具有正溫度系數，并被施加到電阻 R1 上。這個電壓經過放大后與具有負溫度系數的 Q2 基極 - 發射極電壓相加，從而使輸出電壓幾乎不受溫度影響。不過，由于 Q2 基極 - 發射極電壓的溫度系數略有非線性，帶隙電壓會存在一定的曲率。

2. 關鍵參數分析

• 電源電壓：除 REF3112 外，其他型號在空載時只需比輸出電壓高 5mV 的電源即可工作。在負載情況下，典型的壓差與負載關系可參考典型特性曲線。同時，其靜態電流在溫度和電源變化時非常穩定，在整個電源范圍內變化通常小于 2μA。但需要注意的是，當電源電壓低于指定水平時，REF31xx-Q1 可能會瞬間吸取大于典型靜態電流的電流，因此建議使用具有快速上升沿和低輸出阻抗的電源。
• 熱滯現象：熱滯定義為設備在 25°C 下工作，經過指定溫度范圍（-40°C 至 +125°C）循環后再回到 25°C 時輸出電壓的變化。計算公式為 (V{HYST }=left(frac{a b sleft|V{P R E}-V{POST }right|}{V{NOM }}right) × 10^{6}(ppm))，其中 (V{PRE}) 是溫度循環前在 25°C 下測量的輸出電壓，(V{POST}) 是溫度循環后回到 25°C 時測量的輸出電壓。
• 溫度漂移：REF31xx-Q1 的溫度漂移采用箱式法計算，公式為 (Drift =left(frac{V{OUTMAX }-V{OUTMIN }}{V_{OUT } × Temperature Range }right) × 10^{6}(ppm))。在不同溫度范圍內，其漂移系數表現良好，如 0°C 到 70°C 典型漂移系數為 5ppm/°C，-40°C 到 +125°C 典型漂移系數為 10ppm/°C。
• 噪聲性能：REF31xx-Q1 的噪聲電壓隨輸出電壓和工作溫度的升高而增加。典型的 0.1Hz 至 10Hz 電壓噪聲可參考相關曲線。為了改善輸出噪聲水平，可以使用額外的濾波措施，但要注意確保輸出阻抗不會影響交流性能。
• 長期穩定性：長期穩定性指的是參考電壓在數月或數年時間內的變化情況。REF31xx-Q1 在 0 到 1000 小時的典型漂移值為 70ppm，隨著時間的推移，這種漂移效應會逐漸減小。
• 負載調節：負載調節定義為負載電流變化引起的輸出電壓變化。REF31xx-Q1 的負載調節通過力線和檢測線進行測量，這種方式可以減少接觸和走線電阻的影響，從而準確測量由 REF31xx-Q1 本身貢獻的負載調節。對于需要改善負載調節的應用，必須使用力線和檢測線。

3. 功能模式

• 負參考電壓模式：對于需要正負參考電壓的應用，可以將 REF31xx-Q1 與 OPA703 結合使用，從 ±5V 電源提供雙電源參考。例如，使用 REF3125-Q1 可以提供 ±2.5V 的電源參考電壓，其低漂移性能與 OPA703 的低失調電壓和低漂移特性相結合，為分裂電源應用提供了準確的解決方案。
• 數據采集模式：REF31xx-Q1 系列的穩定性和寬電壓范圍使其非常適合數據采集系統。在多個基本數據采集系統示例中，它為微控制器和數據轉換器提供了穩定的參考電壓，確保了數據采集的準確性。

四、應用與實現要點

1. 電路連接與電容選擇

REF31xx-Q1 無需負載電容，如果使用負載電容，建議選擇 ESR 至少為 0.5Ω 的電容。同時，TI 建議使用 0.47μF 的電源旁路電容。

2. 典型應用電路

在一個低功率參考和調理電路中，REF31xx-Q1 可用于精確調理 ±5V 的雙極性輸入電壓，使其適合具有 1.25V 參考電壓的低壓 ADC 進行轉換。該電路通過精密參考電路對輸入信號進行電平轉換、為 ADC 提供參考電壓，并為低功率模擬電路創建穩壓電源。同時，使用低功率、零漂移的運算放大器電路對輸入信號進行衰減和電平轉換。設計時，需要考慮電源電壓、最大輸入電壓、指定輸入電壓和 ADC 參考電壓等參數，確保電路在較寬的輸入范圍內仍能正常工作。

3. 電源與布局建議

電源方面，除 REF3112 外，其他型號空載時只需比輸出電壓高 5mV 的電源，負載情況下可參考典型特性曲線。建議使用大于 0.47μF 的電源旁路電容。布局時，要在 REF31xx-Q1 的 (V_{IN}) 端連接低 ESR 的 0.47μF 陶瓷旁路電容，按設備規格對系統中的其他有源設備進行去耦。使用實心接地平面來幫助散熱和減少電磁干擾（EMI）噪聲拾取，將外部組件盡可能靠近設備放置，以防止寄生誤差。同時，要盡量減小參考和偏置連接到 INA 和 ADC 之間的走線長度，避免敏感模擬走線與數字走線并行，若無法避免則盡量垂直交叉。

五、總結

德州儀器的 REF31xx-Q1 系列電壓基準源以其高可靠性、高精度、低功耗、低噪聲等諸多優點，成為了汽車電子、數據采集系統、便攜式設備等眾多應用領域的理想選擇。在實際應用中，我們需要根據具體的設計需求，合理選擇電壓選項和電容值，并注意電源和布局的設計，以充分發揮 REF31xx-Q1 的性能優勢。大家在實際使用過程中，有沒有遇到過一些特殊的問題或者有獨特的應用技巧呢？歡迎在評論區分享交流。