REF19xx系列電壓基準：特性、應用與設計要點

在電子設計領域，電壓基準是確保系統精度和穩定性的關鍵組件。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（Texas Instruments）的REF19xx系列低漂移、低功耗、雙輸出電壓基準。

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產品概述

REF19xx系列包括REF1925、REF1930、REF1933和REF1941等型號，提供(V{REF})和(V{REF}/2)（即(V{BIAS})）兩個輸出，特別適用于單電源系統。在僅使用正電源電壓的應用中，常常需要在模數轉換器（ADC）輸入范圍的中間有一個額外的穩定電壓來偏置輸入雙極性信號，REF19xx正好滿足了這一需求，它為ADC提供參考電壓(V{REF})，同時提供一個高精度的(V_{BIAS})用于偏置輸入雙極性信號。

特性亮點

1. 出色的溫度漂移性能：在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內，最大溫度漂移僅為 -25 ppm/°C，能有效減少因溫度變化導致的電壓偏差，確保系統在不同環境溫度下的穩定性。
2. 高初始精度：最大初始精度可達 ±0.1%，為系統提供了準確的電壓參考。
3. (V{REF})和(V{BIAS})的溫度跟蹤性能：在 -40°C 至 85°C 范圍內，跟蹤精度為 -6 ppm/°C（最大）；在 -40°C 至 125°C 范圍內，跟蹤精度為 -7 ppm/°C（最大），保證了兩個輸出電壓在溫度變化時的一致性。
4. 低靜態電流：靜態電流小于 430 μA，有助于降低系統功耗，延長電池供電設備的續航時間。
5. 微尺寸封裝：采用 SOT23 - 5 封裝，節省了電路板空間，適合對空間要求較高的應用。
6. 低 dropout 電壓：僅 10 mV 的極低 dropout 電壓，允許從非常低的輸入電壓工作，在電池供電系統中非常實用。
7. 高輸出電流：每個輸出可提供 ±20 mA 的電流，能夠滿足大多數負載的需求。

應用領域

REF19xx系列憑借其優異的性能，廣泛應用于多個領域：

1. 數字信號處理：如功率逆變器和電機控制，穩定的電壓基準有助于提高系統的控制精度和可靠性。
2. 電流傳感：在工業和電力系統中，準確的電流傳感對于設備的監測和保護至關重要，REF19xx的高精度和低漂移特性能夠滿足這一需求。
3. 工業過程控制：為工業自動化系統提供穩定的電壓參考，確保過程控制的準確性和穩定性。
4. 醫療設備數據采集系統：在醫療設備中，對數據采集的精度要求極高，REF19xx的高初始精度和低噪聲特性能夠保證采集數據的準確性。

產品規格

絕對最大額定值

電氣特性

在 (T{A}=25^{circ}C)，(I{L}=0 mA) 和 (V_{IN}=5 V) 的條件下，REF19xx的主要電氣特性如下：

1. 輸出電壓精度：±0.1%
2. 輸出電壓溫度系數：在 -40°C 至 125°C 范圍內為 ±25 ppm/°C；在 -40°C 至 85°C 范圍內為 ±6 ppm/°C
3. (V{REF})和(V{BIAS})的溫度跟蹤：在 -40°C 至 125°C 范圍內為 ±7 ppm/°C
4. 線路調節：3 ppm/V
5. 負載調節：8 ppm/mA
6. 電源電流：有源模式下為 360 - 430 μA；關斷模式下為 5 - 9 μA
7. 使能電壓：有源模式下 (EN = V_{IN}-0.7 V)；關斷模式下 (EN = 0 V)
8. dropout 電壓：(I_{L}=20 mA) 時為 10 - 600 mV
9. 短路電流：50 mA
10. 開啟時間：0.1% 穩定時間，(C_{L}=1 μF) 時為 500 μs
11. 噪聲：低頻噪聲（0.1 Hz - 10 Hz）為 12 ppmPP；輸出電壓噪聲密度（(f = 100 Hz)）為 0.25 ppm/√Hz
12. 電容負載：穩定輸出電容范圍為 0 - 10 μF
13. 長期穩定性：0 至 1000 小時為 60 ppm
14. 輸出電壓滯后：25°C、-40°C、125°C、25°C 循環時為 35 - 60 ppm

典型應用示例

以低側電流傳感應用為例，REF1930可與INA213電流分流監測器配合使用，實現對負載電流的準確檢測。設計要求如下：

1. 電源電壓：5.0 V
2. 負載電流：±2.5 A
3. 輸出：250 mV 至 2.75 V
4. 最大分流電壓：±25 mV

詳細設計步驟

1. 分流電阻選擇：根據公式 (R{SHUNT(max)}=frac{V{SHUNT(max)}}{I_{LOAD(max)}})，計算出最大分流電阻為 10 mΩ。為了減少溫度誤差，應選擇低漂移的分流電阻；為了減少偏移誤差，應選擇公差最小的分流電阻。
2. 差分放大器選擇：選擇具有單電源（3 V）、參考電壓輸入、低初始輸入偏移電壓、低漂移、固定增益和低側傳感等特性的差分放大器。INA213是一個不錯的選擇，它滿足了所有要求，并且避免了傳統儀表放大器和差分放大器的一些缺點。
3. 電壓基準選擇：REF1930具有雙輸出（3.0 V 和 1.5 V）、低漂移和兩個輸出之間低跟蹤誤差的特點，非常適合該應用。其溫度漂移為 25 ppm/°C，初始精度為 0.1%，能夠將電壓基準帶來的誤差降至最低。

應用曲線與結果

通過兩點校準可以消除偏移電壓、增益誤差等相關誤差。測量結果表明，在 25°C 時，未校準誤差為 ±0.0355%，校準后誤差為 ±0.004%；在 -40°C 至 125°C 范圍內，未校準誤差為 ±0.0522%，校準后誤差為 ±0.0606%。

設計要點

電源供應

REF19xx系列具有極低的 dropout 電壓，可在僅高于輸出電壓 20 mV 的電源下運行。建議使用 0.1 μF 至 10 μF 的電源旁路電容，以減少電源噪聲對輸出電壓的影響。

布局設計

在 PCB 布局時，需要注意以下幾點：

1. 在 REF1930 的 (V{IN})、(V{REF}) 和 (V_{BIAS}) 引腳連接低 ESR 的 0.1 μF 陶瓷旁路電容，以提高電源穩定性。
2. 根據設備規格對系統中的其他有源設備進行去耦處理，減少相互干擾。
3. 使用實心接地平面，有助于散熱和減少電磁干擾（EMI）噪聲拾取。
4. 將外部組件盡可能靠近設備放置，防止寄生誤差（如塞貝克效應）的發生。
5. 盡量減少參考和偏置連接到 INA 和 ADC 之間的走線長度，以減少噪聲拾取。
6. 避免敏感的模擬走線與數字走線平行，盡量避免數字和模擬走線交叉，必要時進行垂直交叉。

總結

REF19xx系列電壓基準以其出色的溫度漂移性能、高初始精度、低功耗和微尺寸封裝等優點，為電子工程師在設計高精度、低功耗系統時提供了一個可靠的選擇。在實際應用中，合理選擇組件、優化布局設計，能夠充分發揮 REF19xx的性能優勢，提高系統的整體性能和穩定性。你在使用 REF19xx系列產品時遇到過哪些問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。