什么是參考電壓

　　參考電壓是指電路中一個與負載、功率供給、溫度漂移、時間等無關，能保持始終恒定的一個電壓。參考電壓可以被用于電源供應系統的穩壓器，模擬數字轉換器和數字模擬轉換器，以及許多其他測量、控制系統。參考電壓的大小在不同的應用中有所不同，例如在一般的計算機電源供應系統里，參考電壓誤差不大于其標稱值附近百分之一至百分之幾間，而實驗室的參考電壓標準則擁有更高的、以百萬分率度量的穩定性和精確度。

　　參考電壓的基本原理

　　理想的參考電壓源應不受電源和溫度的影響，在電路中能提供穩定的電壓，“基準”這一術語正說明參考電壓源的數值應比一般電源具有更高的精度和穩定性。

　　一般情況下，可用電阻分壓作為參考電壓，但它只能作為放大器的偏置電壓或提供放大器的工作電流。這主要是由于其自身沒有穩壓作用，故輸出電壓的穩定性完全依賴于電源電壓的穩定性。另外，也可用二極管的正向壓降作為參考電壓，它可克服上述電路的缺點，得到不依賴于電源電壓的恒定參考電壓，但其電壓的穩定性并不高，且溫度系數是負的，約為-2mV/℃。還可用硅穩壓二極管（簡稱穩壓管或齊納管）的擊穿電壓作為參考電壓，它可克服正向二極管作為參考電壓的一些缺點，但其溫度系數是正的，約為+2mV/℃ 。因此，以上幾種均不適用于對參考電壓要求高的場合。于是，在這種迫切的市場需求和設計者的不斷努力下，高精度的參考電壓源應運而生，并且種類繁多。

　　為什么需要參考電壓

　　我們以ADC來舉例說明為什么需要參考電壓。

　　這個參考電壓也叫做基準電壓，如果沒有基準電壓，就無法確定被測信號的準確幅值。例如基準電壓為2.5V，則當被測信號達到2.5V時ADC輸出滿量程讀數，使用者就會知道ADC輸出的滿量程等于2.5V。不同的ADC，有的是外接基準，也有的是內置基準無需外接，還有的ADC外接基準和內置基準都可以用，但外接基準優先于內置基準。

　　如何找到正確的電壓參考設計

　　在您努力想要找到正確的電壓參考設計時，高分辨率混頻信號器件會帶來一個有趣的挑戰。盡管沒有一款適合所有電壓參考設計的通用解決方案，但是圖 1 所示電路還是為您的 16 位以上的轉換器提供了一款不錯的解決方案。

　　圖 1 16 位以上ADC電壓參考電路

　　高分辨率轉換器存在的一些問題是電壓參考噪聲、穩定性，以及該參考電路驅動轉換器電壓參考引腳的能力。R1、C2 和 C3 無源濾波器隨電壓參考噪聲急劇下降。這種低通濾波器的轉角頻率為 1.59Hz。該濾波器可減少寬帶噪聲和極低頻噪聲。附加 R-C 濾波器使噪聲水平降至20位ADC的可控范圍以內。這一結果令人鼓舞。但是，如果電流受到拉力，從 ADC 參考引腳流經 R1，則壓降會破壞轉換，因為每個位判定 （bit decision） 都有一次壓降（請參見參考文獻 1）。

　　圖 1 所示電路圖有一個運算放大器 （op amp），旨在“隔離”C2、R1 和 C3 低通濾波器，并為 ADC 的電壓參考引腳提供足夠的驅動力。25℃ 時，CMOS 運算放大器 （OPA350） 的輸入偏置電流為 10 pA。這一電流與 R1（10 kΩ）共同產生一個 100 nV 的恒定 DC 壓降。這種水平的壓降不會改變 23 位 ADC 的最終位判定。運算放大器的輸入偏置電流隨溫度變化而改變，這是實際情況，但在 125℃ 溫度下您可以預計一個不超過 10 nA 的最大電流值，其在 100℃ 溫度范圍產生 100 μV 的變化。

　　我們需要將 R1 的這種壓降考慮進來。該壓降會增加電壓參考器件的誤差。假設電壓參考電路的初始誤差為 ±0.05%，且誤差溫度為 3 ppm/℃。參考電壓為 4.096 伏時，室溫下初始電壓參考誤差等于 2.05 mV，125℃ 時增加 1.23 mV。圖 1 所示電路中，隨著運算放大器偏移和輸入偏置電流誤差的變化，參考電壓器件占主導地位。連接至圖 1 所示電路的 ADC，承受的誤差是參考電壓、R1 和 OPA350（增益誤差）所產生誤差的和。

　　運算放大器驅動一個10 μF 電容器 （C4） 和 ADC 的電壓參考輸入引腳。位于 C4 上的電荷提供 ADC 轉換期間所需的電荷。在 AD C的數據采集和轉換期間，C4 容量的大小為 ADC 的參考引腳提供一種恒定的電壓參考，其通常具有約 2 到 50 pF 的輸入電容。

　　圖 1 所示電路中，需要注意的最后一點。C4 和運算放大器開環輸出電阻 （RO） 改變放大器的開環增益 （AOL） 曲線時，您可以對放大器的穩定性做折中處理。參考文獻 2 中的討論說明了找出這一問題的過程。基本上而言，具有較好穩定性的電路是改進運算放大器 AOL 曲線和閉環電壓增益曲線的閉合速率為 20dB 的電路。

　　圖 2 圖 1 所示 OPA350 緩沖頻率響應

　　該穩定電路中，極點和零點的頻率位置計算如下，其中 OPA350 的開環輸出電阻為 50Ω （RO），而 C4 （RESR） 的 ESR 為 2 mΩ。

　　（796k 變為 78k）