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了解电压基准的温度系数

Steve Arar 2019-08-08

电压基准产生稳定的电压,理想情况下与不受电源电压、温度、负载和其他外部因素的影响。它们广泛用于数据转换器、电源、测量和控制系统。这种系统的精度可以直接受所用电压基准的精度影响。有几个规范允许表征电压参考精度的各个方面。本文着眼于温度系数规范,该规范描述了温度引起的电压基准输出变化。LNk电子头条

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什么是温度系数规范?LNk电子头条

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理想状态下电压基准的输出与温度无关,但实际电压基准表现出温度引起的输出变化。图1显示了LT1021-5的输出。额定输出电压5V,但正如所看到的,它不是100%独立于温度。LNk电子头条

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图1.图像由Analog Devices提供。LNk电子头条

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电压基准的温度系数是表征温度引起的输出误差的规范。常用方法称为“Box方法”,使用以下等式:LNk电子头条

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该方法考虑了指定温度范围内的误差(T max—T min)。在此温度范围内,减去输出的最大值和最小值,以找出输出的最大变化(V max—V min)。最大输出变化除以温度范围乘以额定输出值(V nominal)。结果乘以106,以ppm /°C(百万分之一/°C)指定温度系数。图2显示输出电压的上限和下限以及LT1021-5参考电压的温度限制。LNk电子头条

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图2LNk电子头条

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边界形成一个框,其中框对角线与上述等式给出的温度系数成比例。如你所见,V max和V min分别约为5.001 V和5 V。考虑到-50°C至125°C的温度范围,获得:LNk电子头条

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根据数据表第3页,LT1021-5温度系数的典型值为2 ppm /°C。注意,V max和V min不一定与Tmax和Tmin相关。它们只是确定温度范围从Tmin到Tmax的输出电压的最大值和最小值。LNk电子头条

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漂移曲线:温度漂移和漂移误差LNk电子头条

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温度系数规范没有给出温度引起变化的形状。考虑一个额定输出为5 V、温度系数为1.14 ppm /°C的电压基准。看到LT1021-5显示了这些规范(图1);但是,我们可以预见到这些规范有无数的电压基准。图3和图4显示了两个假设的例子。LNk电子头条

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图3LNk电子头条

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图4LNk电子头条

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温度系数的单位(ppm /°C)可能误导我们错误地认为误差是线性的,这意味着如果将温度提高1°C,输出电压将改变1 ppm。但是,我们看到温度系数的定义方式并未向我们提供有关变体形状的任何信息。它只给在指定温度范围内可以预期的最大变化。由于误差不是线性的,一些制造商给出了一个设备在多个温度范围内的温度系数。例如,MAX6025A被指定为-40°C至+ 85°C范围内的20 ppm /°C器件。但是,在0°C至+ 70°C的范围内,其温度系数为15 ppm /°C。因此,根据应用的工作温度范围,可以将MAX6025A视为20 ppm /°C或15 ppm /°C器件。请注意,温度系数是在指定的温度范围内给出的。我们可以用它来估计只在指定范围内的错误。除非能很好地理解给定设备的温度特性,否则估计误差超出指定范围是不可取的。LNk电子头条

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如何计算温度系数LNk电子头条

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如何确定系统所需的温度系数。例如,假设有一个10位ADC,电压基准用于设置ADC满量程值。假设我们希望温度引起的误差小于系统LSB的一半。假设电压基准的额定输出为V FS,则我们的10位系统的LSB将为VFS/2 ^ 10。因此,电压参考输出的总变化应小于VFS/2^11。温度范围为-25°C至75°C,获得:LNk电子头条

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因此需要一个温度系数小于4.88 ppm /°C的电压基准。对于上述计算,仅需满足一个条件:保持基准电压的总变化低于LSB的一半。温度系数为4.88 ppm /°C时,我们知道参考电压的总变化小于一半LSB。关于参考电压的绝对值,我们能得出什么结论?我们可以考虑两种极端情况:LNk电子头条

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1.基准电压的最小值是其额定值(V FS),其最大值是V FS + 0.5 LSB。在这种情况下,变化形状类似于图3中所示的形状。LNk电子头条

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2.基准电压的最大值是其额定值(V FS),其最小值为V FS - 0.5 LSB。这种情况类似于图4中所示的情况。LNk电子头条

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如你所见,4.88 ppm /°C的温度系数可确保变化小于LSB的一半(无论变化的形状如何)。但是,根据给定器件的电压漂移特性,绝对值可介于V FS - 0.5 LSB至V FS + 0.5 LSB之间。因此,如果特定应用程序要求将绝对值保持在LSB的一半以下,可以简单地选择一个电压参考,使变化保持在¼LSB以下。漂移越低,产品的成本就越高。因此,需要仔细考虑设计要求,以避免过度设计。图3和图4描绘了假设的电压漂移特性。许多实际电压基准,尤其是补偿带隙器件,具有S形曲线(见图5)。LNk电子头条

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图5图片由Analog Devices提供LNk电子头条

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电压基准自热LNk电子头条

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用于指定设备温度系数的温度范围是指芯片温度。器件中消耗的功率可导致管芯温度与环境温度之间的差异。在这种情况下,我们应该估算芯片温度并根据芯片温度范围计算漂移误差。LNk电子头条

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总结LNk电子头条

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电压基准广泛用于数据转换器、电源、测量和控制系统。电压参考的温度系数允许我们表征参考输出中的温度引起的误差。用于计算温度系数的常用方法是“Box方法”。值得注意的是,温度系数规范并未向我们提供有关温度变化形状的任何信息。它只允许我们计算在指定温度范围内可能发生的最大误差。LNk电子头条