高精度電壓基準(zhǔn)REF62xx系列：技術(shù)解析與設(shè)計應(yīng)用

在電子工程師的日常設(shè)計工作中，電壓基準(zhǔn)源的選擇至關(guān)重要，它直接影響著整個系統(tǒng)的精度、穩(wěn)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(zhǔn)，看看它有哪些獨特的技術(shù)優(yōu)勢，以及在實際應(yīng)用中該如何進行設(shè)計。

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一、REF62xx系列產(chǎn)品概述

REF62xx系列包括REF6225、REF6230、REF6233、REF6241、REF6245和REF6250等型號產(chǎn)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(qū)動精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(chǎn)品非常適合用于需要高精度數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)中。

（一）產(chǎn)品特性

1. 優(yōu)秀的溫度漂移性能：在0°C至+70°C的溫度范圍內(nèi)，最大溫度漂移僅為3 ppm/°C，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保持輸出電壓的穩(wěn)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(tǒng)中的噪聲干擾。
3. 集成ADC驅(qū)動緩沖器：輸出阻抗低于 (50 ~m Omega) （0 - 200 kHz），能夠為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的參考電壓，確保首次采樣精確到18位，適用于突發(fā)模式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
4. 低功耗：工作電流僅為820 μA，關(guān)機電流低至1 μA，有助于降低系統(tǒng)的功耗。
5. 高初始精度：初始精度可達±0.05%，為系統(tǒng)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(tǒng)的信號質(zhì)量。
7. 輸出電流驅(qū)動能力：輸出電流驅(qū)動能力為±4 mA，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shè)置輸出短路電流限制，增強了系統(tǒng)的安全性。

（二）應(yīng)用領(lǐng)域

REF62xx系列產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各種需要高精度電壓參考的領(lǐng)域，包括自動測試設(shè)備（ATE）測試儀、示波器、測試和測量設(shè)備、可編程邏輯控制器（PLC）的模擬輸入模塊、醫(yī)療設(shè)備以及精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。

（三）芯片規(guī)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(shè)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(chǎn)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(jù)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(shù)，如結(jié)到環(huán)境的熱阻 (R_{θJA}) 為158.5 °C/W等，有助于工程師進行散熱設(shè)計。
5. 電氣特性
   • 輸出電壓精度可達±0.05%。
   • 輸出電壓溫度系數(shù)為3 ppm/°C。
   • 線路和負載調(diào)節(jié)性能良好，不同型號在不同條件下的調(diào)節(jié)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(nèi)低于50 mΩ。
   • 開啟時間在特定條件下為100 ms。
   • 長期穩(wěn)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(huán)下有所不同。
   • 輸出電容穩(wěn)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(guān)系、負載調(diào)節(jié)與溫度的關(guān)系、線路調(diào)節(jié)與溫度的關(guān)系、電源電流與溫度和輸入電壓的關(guān)系、開啟時間、噪聲頻譜、電源抑制比與頻率的關(guān)系、輸出阻抗與頻率的關(guān)系、負載瞬態(tài)響應(yīng)、參考下垂等。這些曲線直觀地展示了REF62xx系列產(chǎn)品在不同條件下的性能表現(xiàn)，為工程師在實際應(yīng)用中選擇合適的產(chǎn)品和設(shè)計參數(shù)提供了重要參考。

（五）參數(shù)測量信息

1. 焊接熱漂移：由于制造REF62xx的材料熱膨脹系數(shù)不同，焊接過程中的熱應(yīng)力可能導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生漂移。通過對128個器件在特定回流焊條件下的測試，發(fā)現(xiàn)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(yīng)力的影響，建議在最后一次回流焊時焊接器件。
2. 熱滯現(xiàn)象：熱滯定義為器件在25°C下工作，經(jīng)過特定溫度范圍循環(huán)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(wěn)定性。
3. 參考下垂測量：對于許多需要高精度首次轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，如事件觸發(fā)和多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，REF62xx的集成ADC驅(qū)動緩沖器能夠確保在驅(qū)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(shè)置，通過對ADC輸出代碼的處理和平均，減少了噪聲對測量結(jié)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(shè)置圖，方便工程師進行實際測量。

（六）詳細描述

1. 概述：大多數(shù)SAR ADC和部分delta - sigma ADC在轉(zhuǎn)換過程中會將二進制加權(quán)電容切換到REF引腳，這會導(dǎo)致參考電壓下垂，影響系統(tǒng)的THD和線性度。REF62xx系列產(chǎn)品集成了低輸出阻抗緩沖器，能夠有效支持這種動態(tài)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(xiàn)了器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理。
3. 特性描述
   • 集成ADC驅(qū)動緩沖器：許多ADC數(shù)據(jù)手冊要求REF引腳有一定的平均電流，但大多數(shù)電壓參考在驅(qū)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(nèi)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(tǒng)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(yōu)勢。
   • 溫度漂移：REF62xx系列產(chǎn)品通過特定的設(shè)計和生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)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(chǎn)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(diào)節(jié)短路電流限制和推薦輸出電流。
   • 穩(wěn)定性：REF62xx系列產(chǎn)品在輸出電容值為10 μF至47 μF的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，不同電容值對有效串聯(lián)電阻（ESR）有不同要求。在FILT引腳連接1 μF電容有助于提高穩(wěn)定性和降低噪聲。
4. 器件功能模式：當(dāng)EN引腳拉高時，器件處于工作模式；當(dāng)EN引腳拉低時，器件進入關(guān)機模式，此時輸出為高阻抗，靜態(tài)電流降至1 μA（典型值）。

（七）應(yīng)用與實現(xiàn)

1. 應(yīng)用信息：對于事件觸發(fā)和多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等需要高精度首次轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，傳統(tǒng)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(fā)模式數(shù)據(jù)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(yīng)用場景。
2. 典型應(yīng)用
   • 設(shè)計要求：支持突發(fā)模式，有效位數(shù)（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(shè)計過程：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的噪聲和精度主要受輸入驅(qū)動器、參考驅(qū)動器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的影響。采用THS4551差分運算放大器驅(qū)動18位ADC（ADS8881），并在其輸出端設(shè)計電荷反饋RC濾波器以減少采樣開關(guān)引起的電荷反饋。REF62xx集成了ADC驅(qū)動緩沖器，可直接驅(qū)動ADS8881的REF引腳，同時要正確選擇輸出電容以滿足穩(wěn)定性和突發(fā)模式要求，在FILT引腳連接1 μF電容以降低寬帶噪聲。
   • 應(yīng)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(xiàn)。

（八）電源供應(yīng)建議

REF62xx系列產(chǎn)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(wěn)定性。文檔還給出了典型的壓降電壓與負載電流的關(guān)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(shè)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(shè)兩條獨立的走線，確保信號的準(zhǔn)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(wěn)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(chǎn)生。
   • 避免敏感模擬走線與數(shù)字走線平行，盡量減少數(shù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(guān)的文檔鏈接，包括ADS8881x、ADS127L01的數(shù)據(jù)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(shù)信息。
2. 相關(guān)鏈接：列出了REF62xx系列各型號產(chǎn)品的快速訪問鏈接，包括產(chǎn)品文件夾、樣品購買、技術(shù)文檔、工具軟件和支持社區(qū)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(chǎn)品文檔更新的每周摘要通知，及時了解產(chǎn)品的最新信息。
4. 社區(qū)資源：提供了TI E2E?在線社區(qū)和設(shè)計支持的鏈接，方便工程師與其他同行交流和獲取技術(shù)支持。
5. 商標(biāo)說明：明確了E2E是德州儀器的商標(biāo)，其他商標(biāo)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(dāng)?shù)撵o電防護措施，因為ESD可能會導(dǎo)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(shù)變化可能會影響其性能。
7. 術(shù)語表：提供了TI術(shù)語表的鏈接，方便工程師查詢相關(guān)術(shù)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(chǎn)品的封裝信息，包括可訂購的零件編號、狀態(tài)、材料類型、封裝形式、引腳數(shù)量、封裝數(shù)量、載體、RoHS合規(guī)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(biāo)記等。同時，還給出了封裝外形圖、示例板布局和示例模板設(shè)計等信息，為工程師在產(chǎn)品選型和設(shè)計過程中提供了全面的參考。

REF62xx系列高精度電壓參考產(chǎn)品憑借其優(yōu)秀的性能和豐富的特性，為電子工程師在設(shè)計高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等應(yīng)用中提供了一個可靠的選擇。通過合理的設(shè)計和布局，能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，滿足各種復(fù)雜應(yīng)用的需求。大家在實際應(yīng)用中是否遇到過類似產(chǎn)品的使用問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。