高精度電壓基準REF62xx系列：技術解析與設計應用

在電子工程師的日常設計工作中，電壓基準源的選擇至關重要，它直接影響著整個系統的精度、穩定性和性能。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）推出的REF62xx系列高精度電壓基準，看看它有哪些獨特的技術優勢，以及在實際應用中該如何進行設計。

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一、REF62xx系列產品概述

REF62xx系列包括REF6225、REF6230、REF6233、REF6241、REF6245和REF6250等型號產品，它們屬于REF6000家族的一部分，具有集成的低輸出阻抗緩沖器，能夠直接驅動精密數據轉換器的參考引腳（REF），同時保持出色的線性度、失真和噪聲性能。這使得該系列產品非常適合用于需要高精度數據采集的系統中。

（一）產品特性

1. 優秀的溫度漂移性能：在0°C至+70°C的溫度范圍內，最大溫度漂移僅為3 ppm/°C，能夠在較寬的溫度范圍內保持輸出電壓的穩定性。
2. 極低的噪聲：總噪聲低至 (5 mu V_{RMS }) （搭配47-μF電容），0.1 Hz至10 Hz的1/f噪聲為3 μVPP/V，有效減少了系統中的噪聲干擾。
3. 集成ADC驅動緩沖器：輸出阻抗低于 (50 ~m Omega) （0 - 200 kHz），能夠為數據轉換器提供穩定的參考電壓，確保首次采樣精確到18位，適用于突發模式數據采集系統。
4. 低功耗：工作電流僅為820 μA，關機電流低至1 μA，有助于降低系統的功耗。
5. 高初始精度：初始精度可達±0.05%，為系統提供高精度的電壓參考。
6. 低噪聲和失真：SNR可達100.5 dB，THD低至–125 dB（搭配ADS8881），能夠有效提高系統的信號質量。
7. 輸出電流驅動能力：輸出電流驅動能力為±4 mA，能夠滿足大多數數據采集系統的需求。
8. 可編程短路電流：可以通過連接電阻到SS引腳來設置輸出短路電流限制，增強了系統的安全性。

（二）應用領域

REF62xx系列產品廣泛應用于各種需要高精度電壓參考的領域，包括自動測試設備（ATE）測試儀、示波器、測試和測量設備、可編程邏輯控制器（PLC）的模擬輸入模塊、醫療設備以及精密數據采集系統等。

（三）芯片規格

1. 絕對最大額定值
   • 輸入電壓范圍為–0.3 V至6 V。
   • 使能引腳電壓范圍為–0.3 V至 (V_{IN } + 0.3) V。
   • 工作溫度范圍為–55°C至150°C，存儲溫度范圍為–65°C至150°C。
2. ESD額定值：人體模型（HBM）為±1000 V，帶電設備模型（CDM）為±250 V，具備一定的靜電防護能力。
3. 推薦工作條件
   • 不同型號的產品對輸入電壓的要求有所不同，如REF6225的輸入電壓范圍為3 V至5.5 V，REF6250的輸入電壓范圍為5.3 V至5.5 V。
   • 使能電壓范圍為0 V至 (V_{IN }) V。
   • 輸出電流根據不同型號有所差異，如REF6225、REF6230、REF6233、REF6241的輸出電流范圍為–4 mA至4 mA。
   • 工作溫度范圍為0°C至70°C。
4. 熱信息：給出了不同封裝形式下的熱阻參數，如結到環境的熱阻 (R_{θJA}) 為158.5 °C/W等，有助于工程師進行散熱設計。
5. 電氣特性
   • 輸出電壓精度可達±0.05%。
   • 輸出電壓溫度系數為3 ppm/°C。
   • 線路和負載調節性能良好，不同型號在不同條件下的調節率有所差異。
   • 短路電流為10.5 mA（SS引腳開路時）。
   • 總集成噪聲在不同電容條件下有所不同，如搭配22 μF電容時為5 ，搭配47 μF電容時為 (5 mu V_{RMS }) 。
   • 低頻噪聲（0.1 Hz至10 Hz）為3 μVPP/V。
   • 輸出阻抗在0至200 kHz頻率范圍內低于50 mΩ。
   • 開啟時間在特定條件下為100 ms。
   • 長期穩定性良好，不同時間段的漂移較小。
   • 輸出電壓滯后在不同溫度循環下有所不同。
   • 輸出電容穩定值范圍為10 μF至47 μF。

（四）典型特性

文檔中給出了多個典型特性曲線，包括漂移分布、初始精度分布、輸出電壓精度與溫度的關系、負載調節與溫度的關系、線路調節與溫度的關系、電源電流與溫度和輸入電壓的關系、開啟時間、噪聲頻譜、電源抑制比與頻率的關系、輸出阻抗與頻率的關系、負載瞬態響應、參考下垂等。這些曲線直觀地展示了REF62xx系列產品在不同條件下的性能表現，為工程師在實際應用中選擇合適的產品和設計參數提供了重要參考。

（五）參數測量信息

1. 焊接熱漂移：由于制造REF62xx的材料熱膨脹系數不同，焊接過程中的熱應力可能導致輸出電壓發生漂移。通過對128個器件在特定回流焊條件下的測試，發現典型的漂移小于0.03%，但實際漂移可能因PCB的尺寸、厚度和材料而異。為減少熱應力的影響，建議在最后一次回流焊時焊接器件。
2. 熱滯現象：熱滯定義為器件在25°C下工作，經過特定溫度范圍循環后再回到25°C時輸出電壓的變化。文檔給出了典型的熱滯分布曲線，有助于工程師了解器件在溫度變化過程中的性能穩定性。
3. 參考下垂測量：對于許多需要高精度首次轉換的應用，如事件觸發和多路復用數據采集系統，REF62xx的集成ADC驅動緩沖器能夠確保在驅動ADS8881的REF引腳時，參考下垂小于1 LSB（18位精度）。文檔詳細介紹了參考下垂的測量方法和實驗設置，通過對ADC輸出代碼的處理和平均，減少了噪聲對測量結果的影響。
4. 1/f噪聲性能：REF6225在0.1 Hz至10 Hz的典型電壓噪聲為3 μVPP/V，且該噪聲與輸出電壓成比例。文檔還給出了噪聲測量的設置圖，方便工程師進行實際測量。

（六）詳細描述

1. 概述：大多數SAR ADC和部分delta - sigma ADC在轉換過程中會將二進制加權電容切換到REF引腳，這會導致參考電壓下垂，影響系統的THD和線性度。REF62xx系列產品集成了低輸出阻抗緩沖器，能夠有效支持這種動態負載，保持ADC的線性度、失真和噪聲性能，同時其極低的總噪聲也有助于保持ADC的噪聲性能。
2. 功能框圖：展示了REF62xx的簡化原理圖，包括輸入電源、緩沖器、帶隙電壓參考、使能引腳等部分，清晰地呈現了器件的內部結構和工作原理。
3. 特性描述
   • 集成ADC驅動緩沖器：許多ADC數據手冊要求REF引腳有一定的平均電流，但大多數電壓參考在驅動高分辨率、高吞吐量的SAR ADC時，由于峰值電流需求高和輸出阻抗大，無法滿足要求。REF62xx集成了低輸出阻抗緩沖器，能夠在1 μs內為47 - μF電容補充70 pC的電荷，且電壓下降不超過1 LSB（18位精度）。與傳統電壓參考相比，REF62xx在輸出阻抗和參考下垂性能方面具有明顯優勢。
   • 溫度漂移：REF62xx系列產品通過特定的設計和生產工藝，實現了最小的漂移誤差，其漂移計算采用箱式方法。
   • 負載電流：不同型號的REF62xx產品具有不同的負載電流能力，且通過連接電阻到SS引腳可以調節短路電流限制和推薦輸出電流。
   • 穩定性：REF62xx系列產品在輸出電容值為10 μF至47 μF的范圍內穩定工作，不同電容值對有效串聯電阻（ESR）有不同要求。在FILT引腳連接1 μF電容有助于提高穩定性和降低噪聲。
4. 器件功能模式：當EN引腳拉高時，器件處于工作模式；當EN引腳拉低時，器件進入關機模式，此時輸出為高阻抗，靜態電流降至1 μA（典型值）。

（七）應用與實現

1. 應用信息：對于事件觸發和多路復用數據采集系統等需要高精度首次轉換的應用，傳統電壓參考由于參考下垂問題難以滿足要求。REF62xx能夠提供低失真、低噪聲、低功耗的突發模式數據采集解決方案，適用于18位SAR ADC以1 MSPS的吞吐量處理1 kHz全量程純正弦波輸入的應用場景。
2. 典型應用
   • 設計要求：支持突發模式，有效位數（ENOB）大于16位，總諧波失真（THD）小于–120 dB，功耗小于50 mW，吞吐量為1 MSPS。
   • 詳細設計過程：數據采集系統的噪聲和精度主要受輸入驅動器、參考驅動器和數據轉換器的影響。采用THS4551差分運算放大器驅動18位ADC（ADS8881），并在其輸出端設計電荷反饋RC濾波器以減少采樣開關引起的電荷反饋。REF62xx集成了ADC驅動緩沖器，可直接驅動ADS8881的REF引腳，同時要正確選擇輸出電容以滿足穩定性和突發模式要求，在FILT引腳連接1 μF電容以降低寬帶噪聲。
   • 應用曲線：文檔給出了典型的FFT圖和參考下垂圖，直觀地展示了REF62xx在不同輸入頻率和負載條件下的性能表現。

（八）電源供應建議

REF62xx系列產品具有極低的壓降電壓，在VIN和GND_F引腳之間必須連接至少0.1 μF的去耦電容，以確保電源的穩定性。文檔還給出了典型的壓降電壓與負載電流的關系曲線，幫助工程師了解器件在不同負載下的電源性能。

（九）布局設計

1. 布局指南
   • 在VIN引腳和地之間連接低ESR的0.1 - μF陶瓷旁路電容，以減少電源噪聲。
   • 將REF62xx的輸出電容 (C_{L}) 和ADC盡可能靠近放置，減少信號傳輸過程中的干擾。
   • 分別為VOUT_F、VOUT_S和輸出電容鋪設兩條獨立的走線，確保信號的準確性。
   • 將GND_F和GNDS引腳通過實心平面短接，并將該平面延伸至連接輸出電容 (C{L}) ，以提高接地的穩定性。
   • 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器件放置，避免寄生誤差的產生。
   • 避免敏感模擬走線與數字走線平行，盡量減少數字和模擬走線的交叉，必要時采用垂直交叉。
2. 布局示例：文檔給出了一個使用REF62xx的數據采集系統的PCB布局示例，為工程師提供了實際的參考。

（十）器件與文檔支持

1. 文檔支持：提供了相關的文檔鏈接，包括ADS8881x、ADS127L01的數據手冊，REF6025EVM - PDK用戶指南以及電壓參考對總諧波失真影響的文檔等，方便工程師獲取更多的技術信息。
2. 相關鏈接：列出了REF62xx系列各型號產品的快速訪問鏈接，包括產品文件夾、樣品購買、技術文檔、工具軟件和支持社區等方面的鏈接。
3. 文檔更新通知：工程師可以在ti.com上注冊，接收產品文檔更新的每周摘要通知，及時了解產品的最新信息。
4. 社區資源：提供了TI E2E?在線社區和設計支持的鏈接，方便工程師與其他同行交流和獲取技術支持。
5. 商標說明：明確了E2E是德州儀器的商標，其他商標歸各自所有者所有。
6. 靜電放電注意事項：提醒工程師在處理該集成電路時要采取適當的靜電防護措施，因為ESD可能會導致器件性能下降甚至完全失效，特別是對于精密集成電路，微小的參數變化可能會影響其性能。
7. 術語表：提供了TI術語表的鏈接，方便工程師查詢相關術語和定義。

（十一）機械、封裝和訂購信息

文檔詳細列出了REF62xx系列各型號產品的封裝信息，包括可訂購的零件編號、狀態、材料類型、封裝形式、引腳數量、封裝數量、載體、RoHS合規性、引腳鍍層/球材料、MSL等級/峰值回流溫度、工作溫度范圍和零件標記等。同時，還給出了封裝外形圖、示例板布局和示例模板設計等信息，為工程師在產品選型和設計過程中提供了全面的參考。

REF62xx系列高精度電壓參考產品憑借其優秀的性能和豐富的特性，為電子工程師在設計高精度數據采集系統等應用中提供了一個可靠的選擇。通過合理的設計和布局，能夠充分發揮其優勢，滿足各種復雜應用的需求。大家在實際應用中是否遇到過類似產品的使用問題呢？歡迎在評論區分享交流。