电压基准及时间基准解析

01电压基准及时间基准

所有模数转换器（ADC ）和数模转换器（DAC ）都需要一个基准信号，通常为电压基准 。ADC 的数字输岀表示

模拟输入相对于它的基准的比率；

DAC 的数字输入表示模拟输 岀相对它的基准的比率。有些转换器有内部

基准，有一些转换器需要外部基准。不管怎样所

有转换器都必须有一个电压（或电流）基准。

数据转换器的最早应用是用于缓慢变化信号的直流测量。在这种情况下，测 量的精确定时并不重要。当

今大多数数据转换器是应用在数据采集系统，

在这种系统中必须处 理大量等间隔的模拟采样值，

而且频谱

信息与幅度信息同样重要，这里涉及到的采样频率或 时间基准（采样时钟或重建时钟）与电压基准一样重

要。

电压基准

问：一个电压基准怎样才算好 ？

答：电压基准与系统有关。在要求绝对测量的应用场合，其准确度受使用基准值 的准确度的限制。但是在

许多系统中稳定性和重复性比绝对精度更重要；

而在有些数据采集系统中电压基准的长期准确度几乎完全

不重要，但是如果从有噪声的系统电源中派生基准就 会引起误差。单片隐埋齐纳基准 （如AD588和AD688）

在10 V 时具有1 mV 初始准确度（0

01 %或100 ppm ），温度 系数为1 5 ppm/ ° C 。这种基准用于未调

整的12位系统中有足够的准确度（1 LSB=244 ppm ），但 还不能用于14或16位系统。如果初始误差调整 到零，在限定的温度范围内可用于

14位和16位系统（AD588或AD688限定40C 温度变化范围，1 LSB=61

ppm ）。

对于要求更高的绝对精度，基准的温度需要用一个恒温箱来稳定，并对照标准校准。在

许多系统中，12

位绝对精度是不需要这样做的，只有高于 12位分辨率才可能需要。对于准确 度较低（价格也会降低）的应 用，可以使用带隙基准。

问：这里提到的“隐埋齐纳”和“带隙”基准是什么意思 ？

答：这是两种最常见的用于集成电路中的精密基准。“隐埋”或表层下齐纳管比 较 稳定和精确。它是由

一个具有反向击穿电压修正值的二极管组成， 这个二极管埋在集成电路 芯片的表层下面，再用保护扩散层 覆盖以免在表面下击穿，见图 1

1。

图1-1我层齐抽二极管与睫埋齐纳二扱省结鞫图

图1 1表层齐纳二极管与隐埋齐纳二极管结构图

硅芯片表面和芯片内部相比有较多的杂质、 机械应力和晶格错位。这是产生噪声和长期 不稳定性的原因之

一,所以隐埋式齐纳二极管比表层式齐纳二极管的噪声小， 而且稳定得多，因此它被优先采用于芯片基准

源上作为精密的集成电路器件。

E-

1

厂

隐埠齐纳二械野

但是隐埋式二极管的击穿电压标称值大约为 5V 或更大一些，而且为了使它处于最佳工作 状态，必须吸收

几百微安的电流，所以这种方法对于必须工作在低电压并且具有低功耗的基 准 来说是不适宜的。对于这

样的应用，我们宁愿用“带隙”基准。 于是研制岀一个具有一个正 温度系数的电压用以补偿具有负温度系

数的晶体管的V be ，用来维持一个恒定的“带 隙”电压（见图1

2）三极管Q2发射极面积是Q1的8倍;

这两个管子在R1上产生 一个正比于绝对温度的电流，一个正比于绝对温度的电压与 Q1的V be 串联，产

生电压VZ,它不随温度变化并且可以被放大 （见图1 2），这个电压等于硅的带隙电压 （外推到 绝对零

度）。

图1 2带隙基准原理图

带隙基准与最好的隐埋齐纳基准相比，

其准确度和稳定性稍微差一点儿， 但是温度特性 可优于3 ppm/。G

问：在使用电压基准时应注意些什么问题 ？

答：须记住好的模拟电路设计的基本考虑是：

注意在高阻抗导体上的电压降、

来自公共地线阻抗的噪声和

来自不适当的电源去耦产生的噪声。考虑基准电流流动的方向， 并且对容性负载要多加小心。

问：我知道电压降和噪声的影响，但是基准是不是必须向导体电压降提供足够大的 电流影响才明显？

答：通常基准电路内部是经过缓冲的，大多数情况可流岀或流入 5〜10 mA 电流。 有些应用需要这样大的

或更大一点的电流，例如把基准作为系统的基准。另外一种情况是激励高速闪烁式ADC 的基准输入，它具 有非常低的阻抗。10 mA 电流流过100 m Q 阻抗，产生1 mV 电压降，这可能算是比较明显的了。最高性能 的电压基准，如

AD588和AD688,对于它们 的输出和输出接地端采用开尔文接法

（见图1 3）。接线时应

靠近误差源周围的反馈回路避免

电压降的影响；当电流缓冲放大器被用来驱动许多负载，

或吸收流到错误

方向的电流时它 们也可修正增益和 失调误差。检测端应该接到缓冲放大器的输岀端

（最好接在负载上）。

问：什么叫开尔文接法 ？答：开尔文接法（Kelvin connections ） 又称强制与检测接法（force and sense

connections ），是用来消除电路中导线上产生的电压降影响的一种简便方法。如图

1 4（a ）所示，负载

电 流（IL ）和导线电阻（R ）在负载上产生一个电压误差，V ERROR =RIL 。图 1 4（b ）所示 的开 尔文接

法解决了放大器的强制环路内的导线电阻和检测的负载电压所带来的问题。 放大器对 负载电压的任何误差

都做了修正。在图1 4所示的电路中放大器的输出电压实际上应该为

10 V+V ERROR ，在负载上的电压

却是所要求的10 V 。

1.2帯瞬基准原理图

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