REF20xx系列電壓基準芯片：設計與應用全解析

在電子工程師的日常設計工作中，電壓基準芯片是至關重要的元件，它為電路提供穩定、精確的參考電壓，直接影響著整個系統的性能和精度。今天，我們就來深入探討德州儀器（Texas Instruments）的REF20xx系列電壓基準芯片，包括REF2025、REF2030、REF2033和REF2041。

文件下載：ref2041.pdf

一、REF20xx芯片特性亮點

1. 雙輸出設計

REF20xx芯片提供兩個輸出，分別是(V{REF})和(V{REF}/2)（即(V_{BIAS})）。這種設計在單電源系統中非常實用，能方便地為模擬 - 數字轉換器（ADC）提供參考電壓，同時為輸入的雙極性信號提供偏置電壓。

2. 出色的溫度漂移性能

在 - 40°C 至 125°C 的寬溫度范圍內，其最大溫度漂移僅為 8 ppm/°C，這意味著芯片輸出電壓隨溫度變化的波動極小，能在不同環境溫度下保持高度的穩定性。例如在一些工業現場的電子設備中，環境溫度變化較大，REF20xx就能很好地保證系統的精度。

3. 高初始精度

初始精度最高可達 ±0.05%，這使得芯片在啟動時就能提供非常精確的輸出電壓，減少了系統的初始誤差。對于對精度要求極高的測量儀器等設備來說，這一特性至關重要。

4. (V{REF})和(V{BIAS})的跟蹤性能

在 - 40°C 至 85°C 范圍內，(V{REF})和(V{BIAS})的跟蹤精度最高可達 6 ppm/°C；在 - 40°C 至 125°C 范圍內，最高可達 7 ppm/°C。這保證了兩個輸出電壓在不同溫度下能保持良好的一致性。

5. 其他特性

• 微型封裝：采用 SOT23 - 5 封裝，體積小巧，節省電路板空間，適合用于對空間要求較高的設計。
• 低壓差電壓：僅 10 mV 的壓差電壓，允許在非常低的輸入電壓下工作，這對于電池供電系統尤為重要，能有效延長電池的使用壽命。
• 高輸出電流：每個輸出可提供 ±20 mA 的輸出電流，能滿足大多數負載的需求。
• 低靜態電流：靜態電流僅為 360 μA，功耗較低，有助于降低整個系統的能耗。
• 出色的線性和負載調節能力：線性調節率為 3 ppm/V，負載調節率為 8 ppm/mA，能有效減少因輸入電壓和負載變化而引起的輸出電壓波動。

二、REF20xx芯片技術原理剖析

REF20xx是一款雙輸出的帶隙電壓基準芯片。其基本帶隙拓撲結構中，通過對晶體管(Q_1)和(Q_2)進行偏置，使(Q_1)的電流密度大于(Q2)。兩者基極 - 發射極電壓差((V{BE1}-V_{BE2}))具有正溫度系數，將其加在電阻(R_5)上，經過放大后與具有負溫度系數的(Q2)基極 - 發射極電壓相加，得到幾乎與溫度無關的帶隙輸出電壓。然后，通過兩個獨立的緩沖器從帶隙電壓中生成(V{REF})和(V_{BIAS})，并且通過合理設計電阻(R_1)、(R_2)和(R_3)、(R4)的大小，使得(V{BIAS}=V_{REF}/2)。

在制造的最后階段，芯片采用了 e - Trim? 方法對(V{REF})和(V{BIAS})的初始精度和溫度系數進行封裝級微調。這種方法能有效減少晶體管固有失配以及封裝成型過程中引入的誤差，從而使芯片的溫度漂移最小化，初始精度最大化。

三、REF20xx芯片典型應用案例

1. 低邊電流檢測應用

設計要求

某系統的設計要求為：電源電壓 5.0 V，負載電流 ±2.5 A，輸出電壓范圍 250 mV 至 2.75 V，最大分流電壓 ±25 mV。

詳細設計過程

• 分流電阻選擇：根據公式(R{SHUNT(max)}=frac{V{SHUNT(max)}}{I{LOAD(max)}})，已知最大分流電壓為 ±25 mV，負載電流范圍為 ±2.5 A，可計算出最大分流電阻為(R{SHUNT(max)}=frac{25mV}{2.5A}=10mOmega)。為了減少溫度對電阻的影響，應選擇低溫度漂移的分流電阻；為了降低偏移誤差，應選擇公差最小的電阻，如 Y14870R01000B9W 電阻。
• 差分放大器選擇：所選差分放大器應具備單電源（3 V）、參考電壓輸入、低初始輸入失調電壓((V_{OS}))、低漂移、固定增益以及能夠進行低邊檢測（輸入共模范圍低于地）等特性。這里選擇了 INA213 電流 - 分流監測器，它的所有特性都滿足該應用的要求。相比之下，傳統的儀表放大器（INAs）通常不具備足夠的輸入共模擺幅到地的能力，且需要外部電阻來設置增益，這對于低漂移應用來說不太理想；差分放大器通常輸入偏置電流較大，在小負載電流時會降低解決方案的精度，且增益調節時使用的外部電阻也不利于低漂移應用。
• 電壓基準選擇：此應用要求電壓基準具有雙輸出（如 3.0 V 和 1.5 V）、低漂移以及兩個輸出之間低跟蹤誤差的特性。REF2030 芯片非常適合這個應用，它的溫度漂移為 8 ppm/°C，初始精度為 0.05%，能將電壓基準帶來的誤差降至最低。而且兩個輸出之間的失配極小，在不同溫度下的跟蹤性能也非常好。

2. 其他應用領域

REF20xx芯片還廣泛應用于電表、模擬輸入模塊、模擬輸出模塊、伺服驅動控制模塊、斷路器（ACB、MCCB、VCB）、臨床數字溫度計、實驗室和現場儀器儀表、電池測試等領域。

四、REF20xx芯片使用注意事項

1. 焊接熱漂移

由于制造 REF20xx 芯片的材料熱膨脹系數不同，在焊接過程中，器件芯片會受到機械和熱應力，導致輸出電壓發生漂移，影響產品的初始精度。在進行回流焊時，應注意選擇合適的印刷電路板（PCB）尺寸、厚度和材料，以減少這種漂移。如果 PCB 需要進行多次回流焊，建議將芯片放在第二次回流焊中焊接，以減少其受到的熱應力。

2. 靜電放電（ESD）保護

該集成電路容易受到 ESD 損壞，因此在操作過程中必須采取適當的防靜電措施。ESD 損壞可能導致芯片性能下降甚至完全失效，特別是對于精度要求較高的芯片，微小的參數變化都可能使其無法滿足規格要求。

3. 電源和布局

• 電源：REF20xx 芯片具有極低的壓差電壓，可在僅比輸出電壓高 20 mV 的電源下工作。建議使用 0.1 μF 至 10 μF 的電源旁路電容，以減少電源噪聲對芯片的影響。
• 布局：在 PCB 布局時，應在 REF2030 的(V{IN})、(V{REF})和(V_{BIAS})引腳連接低等效串聯電阻（ESR）的 0.1 μF 陶瓷旁路電容；按照器件規格對系統中的其他有源器件進行去耦處理；使用實心接地平面有助于散熱和減少電磁干擾（EMI）噪聲；將外部組件盡可能靠近芯片放置，以防止寄生誤差（如塞貝克效應）的產生；盡量縮短參考和偏置連接到 INA 和 ADC 的走線長度，以減少噪聲拾取；避免敏感的模擬走線與數字走線平行，盡可能避免數字和模擬走線交叉，必要時進行垂直交叉。

REF20xx系列電壓基準芯片以其出色的性能和豐富的特性，為電子工程師在設計高精度、高穩定性的電路系統時提供了一個優秀的選擇。在使用過程中，只要我們充分了解其特性和注意事項，就能充分發揮其優勢，設計出更加優秀的電子系統。大家在實際應用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享交流。