本文主要詳解單電壓基準(zhǔn)與雙電壓基準(zhǔn)區(qū)別，分別從三個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，性能方面的不同以及占用的空間和成本方面來(lái)詳細(xì)的解說(shuō)。

　　一、兩個(gè)基準(zhǔn)電壓的三個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　諸如圖1中顯示的雙向電流感測(cè)的應(yīng)用要求使用兩個(gè)良好匹配的低漂移基準(zhǔn)電壓。第一個(gè)電壓，VREF定義ADC的滿量程范圍。需要一個(gè)偏置電 壓，VBIAS，來(lái)電平位移雙極信號(hào)。需要使VBIAS= VREF/2，這樣的話，ADC的正負(fù)擺幅相等。

　　圖1：低漂移雙向單電源低端電流感測(cè)系統(tǒng)

　　如圖2中顯示，使用兩個(gè)單獨(dú)的電壓基準(zhǔn)來(lái)提供一個(gè)簡(jiǎn)單且直接的方法。

　　圖2：解決方案1（兩個(gè)獨(dú)立的基準(zhǔn)）

　　對(duì)于圖1中的應(yīng)用，VREF和VBIAS分別為3.0V和1.5V。表1列出了一對(duì)低漂移基準(zhǔn)。在將漂移、準(zhǔn)確度和成本考慮在內(nèi)時(shí)，REF5030A 是針對(duì)3V基準(zhǔn)電壓的不錯(cuò)選擇。不幸的是，低漂移、固定1.5V基準(zhǔn)是不太容易得到的。在這個(gè)情況下，你可以選擇一個(gè)1.25V基準(zhǔn)，諸如 LM4149B，雖然這個(gè)選擇使正負(fù)范圍失衡。

　　表1：低漂移電壓基準(zhǔn)

　　第二解決方案是可行的，使用圖3中顯示的分壓器指定一個(gè)3V電壓基準(zhǔn)。

　　圖3：解決方案2（基準(zhǔn)+分壓器+緩沖器）

　　在這里，VBIAS的漂移，如方程式 （1） 所示，由基準(zhǔn) （δREF）、電阻分壓器網(wǎng)絡(luò) （δRDIV）和緩沖放大器 （δBUF） 的漂移所導(dǎo)致。

　　對(duì)于一個(gè)相類(lèi)似的低漂移解決方案，選擇具有0.1%耐受值和5ppm/°C溫度漂移的電阻器?？紤]到放大器的滿量程范圍為1.5V，緩沖放大器的偏移 不是很明顯。要達(dá)到輸入偏移電壓所導(dǎo)致的誤差為0.1%和1ppm/°C漂移誤差的目標(biāo)，此放大器應(yīng)該具有少于1.5mV的偏移電壓和1.5μV/°C的 漂移。表2顯示為這個(gè)解決方案所選擇的器件。要獲得與組件選擇的更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)參考TIPD156，這是一款TI設(shè)計(jì)參考庫(kù)中的電流感測(cè)參考設(shè)計(jì)。

　　表2：第二個(gè)解決方案中的組件

　　二、性能方面

　　將從三個(gè)方面，即他們輸出之間的總體誤差、漂移跟蹤和匹配，來(lái)比較這三種解決方案的性能。

　　總體誤差

　　方程式 （1） 將用百分比 （%） 給出的技術(shù)規(guī)格轉(zhuǎn)換為百萬(wàn)分比 （ppm） 表示的技術(shù)規(guī)格。

　　每個(gè)電壓輸出的總體誤差性能指標(biāo)取決于他的初始精度和工作溫度范圍內(nèi)的漂移，如方程式（2） 中所給出的那樣。

　　在解決方案1中，由于在數(shù)據(jù)表中沒(méi)有指定LM4140B的漂移典型值，小編們使用70oC溫度范圍內(nèi)的最大漂移技術(shù)規(guī)格來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在解決方案2中，偏 移電壓 （VBIAS） 由REF5030A，電阻器網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)緩沖器產(chǎn)生。因此，正如第一部分中方程式 （1） 所指定的那樣，初始精度和漂移可以表示為這三個(gè)誤差源的RSS值。由于REF2030和REF5030A使用打包方法來(lái)確定漂移，計(jì)算的溫度范圍為整個(gè)工 作溫度范圍，或者說(shuō)165oC。

　　表1顯示VREF在解決方案1和解決方案2中具有相同的性能時(shí)，他的VBIAS輸出的誤差會(huì)大很多。需要注意的是，VBIAS在解決方案2中的誤差包括來(lái)自VREF的誤差。由于兩個(gè)輸出上的高初始精度和低溫度漂移，解決方案3在三個(gè)解決方案中具有最低誤差。

　　表1：每個(gè)輸出電壓誤差原因比較

　　漂移跟蹤和匹配

　　這個(gè)雙輸出系統(tǒng)的另外一個(gè)重要技術(shù)規(guī)格是漂移跟蹤，這個(gè)參數(shù)描述了特定溫度范圍內(nèi)兩個(gè)電壓之間的匹配準(zhǔn)確度，計(jì)算方法如方程式 （3） 所示。圖1顯示了REF2030的漂移跟蹤性能典型值。

　　圖1：VREF和VBIAS跟蹤與溫度之間的關(guān)系圖

　　由于小編們?cè)诮鉀Q方案1中采用了兩個(gè)獨(dú)立的電壓基準(zhǔn)，理論上來(lái)講，這兩個(gè)基準(zhǔn)也許不會(huì)直接相互跟蹤，所以跟蹤是他們最大溫度漂移 （11 ppm/oC） 的RSS值。由于LM4140B的額定溫度范圍只在0°C至70oC之間，這個(gè)漂移跟蹤只適用于這個(gè)溫度范圍。

　　在解決方案2中，由于VREF的誤差在兩個(gè)輸出上同時(shí)存在，VREF和VBIAS之間的漂移跟蹤 （δTracking） 只取決于電阻器網(wǎng)絡(luò) （δRES） 和緩沖器 （δBUF） 的漂移，計(jì)算方法如方程式 （4） 所示。

　　三、占用的空間和成本

　　空間占用和成本

　　除了系統(tǒng)性能之外，在高密度應(yīng)用中，PCB面積要求會(huì)十分關(guān)鍵。圖1中給出了每個(gè)解決方案的總PCB空間一覽（未考慮去耦合電容器）。

　　下方的表1顯示所需空間的簡(jiǎn)單計(jì)算結(jié)果（只考慮器件本體尺寸）。通過(guò)從一個(gè)封裝尺寸為4.64 mm2的集成解決方案中提供雙輸出，相對(duì)于解決方案1和解決方案2，REF2030將占用的總空間分別減少了83%和67%。從成本角度 看，REF2030僅為1.4美元，比解決方案1和2分別低52%和30%。

　　表1：空間占用和成本

　　結(jié)論

　　解決方案1

　　有兩個(gè)獨(dú)立的電壓基準(zhǔn)構(gòu)成，解決方案1非常簡(jiǎn)單直接且易于實(shí)現(xiàn)。然而，其缺點(diǎn)也很明顯：電壓選項(xiàng)有限，在輸出間無(wú)直接漂移跟蹤。此外，解決方案1中使用的兩個(gè)低漂移高精度基準(zhǔn)價(jià)格很高。

　　解決方案2

　　雖然需要使用更多組件并占用更大主板空間，解決方案2比解決方案1的成本更低，并具有更好的漂移跟蹤。然而，解決方案2中VBIAS的精度要遜于解決 方案1，這是因?yàn)樗Q于VREF的漂移、分壓器和緩沖放大器。在有利方面，解決方案2在設(shè)計(jì)不同偏置電壓時(shí)比較靈活，在這些設(shè)計(jì)中，VBIAS≠ VREF/2。

　　解決方案3

　　解決方案3最顯著的不同就是其單芯片解決方案。這個(gè)設(shè)計(jì)具有最佳的初始精度、更低的成本以及更小的PCB空間占用。事實(shí)上，解決方案3輸出匹配比解決 方案2好90%，占用的空間小67%，成本降低30%。換句話說(shuō)，如果你的設(shè)計(jì)目標(biāo)是一款低漂移系統(tǒng)，并且你不想在獲得高精度性能方面花費(fèi)過(guò)多的話，解決 方案3 （REF2030） 會(huì)是一個(gè)好的選擇。

　　表2：最終比較結(jié)果