Så här använder du en spänningsreferens för att säkerställa exakt och stabil dataomvandling

I strävan efter att ansluta de analoga och digitala världarna snabbare och effektivare för att utnyttja sakernas internet (IoT) är det lätt, men oklokt att förbise den kritiska roll som spänningsreferensen spelar. Det används av analog-till-digital- (ADC) och digital-till-analog-omvandlare (DAC) som huvudstandard för att bedöma de analoga ingångs- och utgångsvärdena, det hjälper till att säkerställa exakt signal- och dataomvandling, men bara om det väljs och tillämpas korrekt.

Den här artikeln beskriver kortfattat strukturen och egenskaperna hos en spänningsreferens och anger hur du kan gå till väga för att välja en. Som exempel introduceras en spänningsreferens från Analog Devices ADR43x-serie för att illustrera de olika egenskaper, förbättringar och funktioner som konstruktörer kan dra nytta av för att få ut så mycket som möjligt av moderna spänningsreferenser. På vägen visas hur du tillämpar ADR43x-enheten så att den håller sig inom godtagbara gränser för att tillåta ADC:er, DAC:er och system som helhet att prestera med full potential.

Spänningsreferensers kritiska roll

I sin grundläggande form är spänningsreferensen en enhet med tre uttagsplintar med spänningsskena, jord (gemensam) och utgångsspänningsanslutningar med precision (figur 1). En referens som är olämplig för uppgiften eller som tillämpas felaktigt tappar precision och minskar giltigheten och tillförlitligheten hos omvandlarens utmatning.

Figur 1: Den grundläggande versionen av en spänningsreferens är en enhet med tre uttagsplintar med ingångsspännings-, utgångsreferens- och jordanslutningar (gemensam), som här visas för LT6656AIS6-2.5-enheten från Analog Devices LT6656-familj. (Bildkälla: Analog Devices)

När en konstruktör har valt en lämplig referens när det gäller nominell utgångsspänning, precision och tolerans samt övriga parametrar är utmaningen att använda referensen på et sätt så att den angivna prestandan uppfyller tillämpningskraven och enhetens prestanda inte försämras. Detta är mycket viktigt. Som nämnts tidigare är spänningsreferensen den huvudsakliga standard som en ADC använder för att bedöma den analoga ingångsspänningen när den ska digitaliseras. För DAC:er tillåter en stabil och tillförlitlig spänningsreferens omvandlaren att producera en korrekt analog utgångsspänning som motsvarar den inmatade digitala koden.

Välja referens

Tre tekniker används oftast för solid state-referenser: den dolda zenerdioden, bandgapmetoden med en transistors V_be och Analog Devices XFET^®-konfiguration, som har två förgrenings-FET-enheter som arbetar parallellt (USA-patentnummer 5,838,192).

Medan spänningsreferenskonstruktörer kan tänkas diskutera de mer specifika detaljerna och attributen för varje metod (av goda skäl) ligger fokus för de flesta spänningsreferensanvändare istället på prestanda-, kompromiss-, tillämpnings- och kostnadsfrågor. Här diskuteras det senare perspektivet.

En spänningsreferens kan ha en intern kärnreferens som har ett "besvärligt" värde på grund av den underliggande enhetsfysiken hos den använda tekniken, men spänningsreferenser är utformade med interna kretsar för att säkerställa att deras utdata har spänningar som matchar omvandlarens upplösning och systembehoven väl.

Till exempel erbjuds många referenser som en familj av i övrigt identiska enheter med ett urval av utgångsvärden som 2,048, 2,5, 3,0, 4,096 och 5,0 volt. Versionerna på 2,048 och 4,096 volt är praktiska eftersom de kan mappas "jämnt" till omvandlarens upplösning. En 12-bitarsovandlare som använder en 4,096-voltreferens har till exempel en nominell skalning på 1 millivolt (mV)/omvandling.

Den inledande referensprecisionen anges i antingen procent eller millivolt och precisionen kan variera stort eftersom vissa tillämpningar kräver högre precision än andra. I allmänhet är högre precision svårare att uppnå och bibehålla. En typisk referensspecifikation är ett maximalt fel på ±0,1 % under alla förhållanden. Dock har framsteg inom underliggande topologi och processteknik möjliggjort förbättringar i den här specifikationen. Till exempel använder 4,096-voltsreferensen ADR434 XFET-metoden och specificeras med en inledande precision på ±5 mV (A-suffix) eller ±1,5 mV (B-suffix).

Dock finns det många tillämpningar där den absoluta precisionen är sekundär jämfört med referensstabilitet och långsiktig konsekvens. Orsaken kan vara att digitaliserade data kan korrigeras i efterhand eller att absolut precision inte är lika viktig som jämförbara resultat och deras förändringar vilka båda är funktioner av referensstabiliteten. Därför måste valet av referens bedöma hur viktig absolut precision är jämfört med hur mycket stabilitet som behövs och hur denna stabilitet ska behållas.

Den här stabilitetsfaktorn innebär icke-triviala hänsynstaganden. Gäller den kortsiktig användning som vid datainsamling under ett kort experiment? Eller handlar det om långsiktig datainsamling under ett års tid eller längre? Det här är frågor som konstruktören måste besvara före varje projekt.

Externa och interna referenser

En ännu mer grundläggande fråga är om du verkligen behöver en oberoende, extern referens? Omvandlare som Analog Devices AD7605-4BSTZ ADC levereras med en intern spänningsreferens, som sparar utrymme på kortet och strukturlistor (BOM) (figur 2). Dessutom kan databladet tillhandahålla en specifikation av den helt specificerade ADC-avläsningsprecisionen eftersom referensens prestanda blir en del av omvandlar-IC:ns övergripande prestanda.

Figur 2: Många ADC:er, som 16-bitars AD7605-4BSTZ, levereras med en intern spänningsreferens. Förutom att spara plats och minska strukturlistan förenklar det här felbudgetanalysen eftersom referensprestandan är inräknad i omvandlarens övergripande specifikationer. (Bildkälla: Analog Devices)

En intern referens kan dock inte erbjuda den nödvändiga prestandan även om omvandlarkärnan är lämplig, så de flesta omvandlare har en anslutning för en extern referens. Observera att omvandlare som är mycket tillämpningsspecifika och kostnadskänsliga, som de för en ljudkanal i nedre änden, kan ha en intern omvandlare so uppfyller målstandarden och därigenom inte har något behov av en extern referens. Samtidigt är det alltför förenklat att anta att en extern referens automatiskt ger bättre resultat än en intern, eftersom den interna referensens prestanda kan överensstämma med specifikationerna för den förknippade omvandlaren.

Det finns ännu an anledning att överväga att använda en extern spänningsreferens även om den interna räcker. I konstruktioner där det finns fler än en omvandlar-IC kan de enskilda interna referenserna skilja sig eller inte följa varandra identiskt. Resulterande data kommer vara inkonsekventa endast på grund av referensernas skillnader och det gör det svårt att korrelera data, viket ger upphov till olösbara fel som inte kan åtgärdas.

För ett högpresterande system med flera omvandlare är det därför i allmänhet bättre att använda en enskild, delad extern referens. Att göra detta ger dock upphov till tvekan om referensen kan "driva" de många omvandlarna utan att försämra dess grundläggande prestanda, vilket diskuteras nedan.

Underhålla referensens prestanda

Utöver inledande precisions- och toleransspecifikationer har referenserna problem måste åtgärdas för att säkerställa att prestandan hålls inom godtagbara gränser. Några av problemen är:

1. Layoutproblem, inklusive spänningsfall och brus
2. Utgångsdrivning (källa/sänka), lastbuffring och transientprestanda
3. Kortsiktig stabilitets- och temperaturrelaterad förskjutning
4. Långsiktig förskjutning på grund av åldrande, fysisk utmattning och förpackning

1. Layoutproblem, inklusive spänningsfall och brus: som för alla känsliga analoga signaler, även sådana som levererar statisk spänning, kan det förekomma för stort ström-resistansrelaterat (IR) spänningsfall mellan referensutgången och omvandlaren. Trots att de flesta referenslaster är låga – i storleksordningen tiotals milliampere (mA) – innebär till och med en måttlig last på 10 mA som passerar 100 milliohm (mΩ) till ett spänningsfall på 1 mV, vilket kan införa ett betydande fel i budgeten.

ADR43x-seriens spänningsreferens övervinner problemet genom att inkludera kabelmotståndet i kraftslingan hos en extern operationsförstärkare i en Kelvin-anslutningskonfiguration (figur 3). Förstärkaren känner av spänningen hos lasten, så driftförstärkarens slingkontroll tvingar utdata att kompensera för skrivfelet och producerar därigenom rätt spänning hos lasten.

Figur 3: Enheter i ADR43x-serien kan konfigureras för Kelvin-anslutningar via en extern operationsförstärkare så att eventuella IR-fall mellan referensutgångar och omvandlarreferensingången är en del av återkopplingskretsen som sedan korrigerar för förlusten. (Bildkälla: Analog Devices)

Externt brus kan även påverka referensspänningen som registreras vid omvandlaren, på grund av lastbrus, jordbrus (gemensam) och brusupptag från otillräckligt frånkopplade spänningsskenor. Dessutom har referenser även låg frekvens (0,1 hertz (Hz) till 10,0 Hz) och hög frekvens (10 Hz till 25 kilohertz (kHz)) internt brus som måste bedömas. Högprestandareferenser som de i ADR43x-familjen har lågfrekvensbrus under 3,5 mikrovolt (μV) topp till topp (p-p) och högfrekvensbrus på 200 mikrovolt (topp) från 10 Hz till 10 kHz.

Brusdensitetsspektrum för ADR431BRZ-REEL7 visas (figur 4). För olika kapacitiva belastningar är den relativt plan upp till 1 kHz och därefter börjar den stiga. Den håller sig plan vid noll kapacitiv belastning.

Figur 4: Bullerdensitet jämfört med frekvens för ADR431BRZ-REEL7 för olika kapacitiva belastningar är relativt plan upp till 1 kHz och därefter börjar den stiga. Den håller sig plan vid noll kapacitiv belastning och ökar snabbare när belastningen ökar. (Bildkälla: Analog Devices)

Den vanligaste taktiken för att minska buller är att lägga till ett enkelt resistorkondensatorfilter (RC). Många referenser har dock utgångsförstärkare som ka bli ostabila och svänga med stora kapacitiva belastningar, så att ansluta en högre kapacitans på flera mikrofarad (µF) till utgången är inte ett alternativ om inte referensen är utformad för detta. För ADR43x-enhter kan referensens grundanslutning kompletteras med ett enkelt RC-filter om det här högfrekvensbruset fortfarande överskrider kraven (figur 5).

Figur 5: Grundläggande anslutning av ADR43x-spänningsreferenser kräver bara några få passiva externa komponenter, med två kondensatorer på ingångssidan och en grundläggande 0,1 µF-kondensator på utgången. (Bildkälla: Analog Devices)

Observera att ADR43x-referenserna alla har ett externt stift som ger åtkomst till den interna kompenseringsnoden, vilket gör att ett externt serie-RC-nätverk kan läggas till vid den kritiska kretspunkten (figur 6).

Figur 6: ADR43x-enheterna har ett användartillgängligt paketstift (stift 7), som kan användas för att lägga till nödvändig kompensation till den interna operationsförstärkaren. (Bildkälla: Analog Devices)

Att lägga till RC-kretsen gör att användaren kan "överkompensera" den interna operationsförstärkaren och undvika instabilitet. Användarna kan välja kondensatorvärde för att nå en godtagbart låg brusnivå i förhållande till frekvensen (figur 7).

Figur 7: Konstruktörer som använder ADR43x-referenser kan välja RC-komponentvärden för att nå önskad bruksreduktion utan att oroa sig för instabil utmatning, vilket visas med den här kurvan över brusdensitet jämfört med frekvens för olika RC-kombinationer. (Bildkälla: Analog Devices)

2. Utgångsdrivning (källa/sänka), lastbuffring och transientprestanda. De flesta referenser är internbuffrade och kan ge och ta upp till 5 eller 10 mA. Om den nödvändiga lastströmmen är högre än referensens käll/sänk-värde krävs en extern buffert (normalt vid enhetsförstärkning). En buffert kanske dock inte är önskvärd eftersom den potentiella effekten av dess ofullkomligheter (felaktighet, förskjutning) kan driva referensen utanför systemspecifikationen.

ADR43x-serien eliminerar behovet av den externa strömladdningsbufferten i många fall på grund av dess relativt höga +30 mA-käll- och −20 mA-sänkströmvärden.

Dessutom är lasten på referensen inte nödvändigtvis konstant utan kan variera när ADC (eller DAC) switchar internt. Om den externa referensinsignalen till omvandlaren buffras är detta inget problem. Om den inte gör det måste referensens transientprestanda undersökas. I vissa fal krävs en extern buffert mellan referensen och omvandlaren för att ge drivning trots transientbelastningar. Återigen måste buffertens prestanda tas med i beräkningen vid felanalys av systemet.

3. Kortsiktig stabilitet och temperaturrelaterad förskjutning: Referensutsignalen kommer att förskjutas på grund av tiden det tar för de aktiva kretsarna att utjämnas samt för de termiska gradienterna i kretsen att stabiliseras. Den här stabiliseringstiden vid påslagning för de flesta referenser beror normalt på lastkapacitans, men påverkan på belastningskondensatorn är minimal för ADR431 med låg belastning (figur 8 och 9).

Figur 8: Stabiliseringstiden vid påslagning för ADR431 utan belastning är cirka 8 mikrosekunder (µs). (Bildkälla: Analog Devices)

Figur 9: Med tillägg av en belastning på 0,01 µF är stabiliseringstiden vid påslagning för ADR431 fortfarande bara omkring 8 µs. (Bildkälla: Analog Devices)

Databladen anger referensprecision vid en definierad temperatur, som normalt skiljer sig från påslagningsvärdet. Ändringen i utsignalen på grund av temperaturförändringen kan lätt överskrida systemets precisionskrav, så en referens med lämplig låg förskjutningsspecifikation krävs. ADR43x-familjen specificeras för drift från −40 °C till +125 °C. För ADR434A (4,096 volt, ±5 mV inledande precision) är den här koefficienten 10 ppm/°C, medan andra medlemmar i serien har värden ner till 3 ppm/°C.

4. Långsiktig förskjutning på grund av åldrande, fysisk utmattning och förpackning: förskjutning är ofta en viktig orsakande faktor till dålig referensprecision. Vi kan ta en tillämpning som kräver en spänningsreferens med en total precision över temperaturområdet på ±0,1 %. Konstruktören kan välja en högpresterande referens med inledande precision på ±0,05 % och en mycket låg temperaturkoefficient på ±5 ppm/°C.

Mellan 25 °C och 125 °C är förskjutningen på grund av temperaturkoefficienten 5 ppm/°C × 100 °C, eller 500 ppm (0,05 %), så det totala felet (inledande fel + förskjutningsfel) uppfyller precis kravet på ±0,1 %. Vid vissa högprestandatillämpningar placeras referensen i en temperaturstyrd ugn som liknar de som används för temperaturstabiliserade frekvensinställningskristaller och klockor, men det är inte önskvärt eller praktiskt i de flesta situationer.

När referensprecisionen förbättras blir dess grundläggande långsiktiga förskjutning (LTD) en viktigare faktor för att behålla precisionen. För konstruktören utgör LTD en särskild utmaning eftersom den också beror på produktionsrutiner och produktanvändningsmönster istället för bara konstruktionens grundlighet och förknippat komponentval. Belastningarna på paketet som uppstår vid kretskortsmontering är den största orsak till LTD. Plastförpackade kretskort ändrar form något på grund av exponering för höga temperaturer vid kortlödningsprocessen och den här belastningsorsakade förändringen av dimensionerna lägger belastning på spänningsreferensinsatsen.

Följden blir att spänningsreferensens utsignal ändras i takt med att dessa mekaniska, monteringsrelaterade belastningar avtar och återgår till det normala över timmar, dagar och till och med veckor. Graden av förändring beror på layout, enhetspaket och andra faktorer och är typiskt i omfattningen tiotals ppm. Relationen mellan referensens insats och paket kommer också att stabiliseras i takt med att enheten åldras under ett år, så vissa referenser specificerar förskjutning över betydligt längre perioder.

De flesta referensdatablad innehåller LTD-specifikationer som typisk förskjutning efter de första 1 000 timmarnas drift. ADR43x-seriens datablad specificerar 1000 timmars LTD vid 40 ppm (typiskt), men noterar även at förskjutningen under de efterföljande 1000-timmarsperioderna är betydligt lägre än under den första 1000-timmarsperioden.

En lösning på den här belastningsinducerade förskjutningen är at cykla kortet termiskt flera gånger under några timmar eftersom detta påskyndar utjämningen av interna belastningar. En annan lösning är att överväga att använda spänningsreferenser i keramiska paket eftersom de normalt är stabilare än plastpaket och har lägre flexnivåer än plastpaket. Många referenser är dock inte tillgängliga i keramiska paket, men detta behöver inte vara ett problem eftersom den senaste generationens referenser i plast ger LTD-prestanda som nästan är lika bra som för keramiskt paketerade enheter.

Slutligen kan konstruktörerna inte bortse från effekten på spänningsreferensen från dess egen strömlinje. En referens är på många sätt en specialiserad strömkälla. Därför är belastningsvariationerna inte bara en möjlig inverkan på utsignalens precision, men en stabil och ren likströmsingångsledning (DC) är en annan faktor i att bibehålla den angivna prestandan. Med detta i åtanke kommer fortfarande en välkonstruerad spänningsreferens att reglera ströminmatningen noggrant. ADR431 specificerar en ledningsreglering ΔV_UT/ΔV_IN på 5 mV/ppm (typiskt) och 20 mV/ppm (maximalt) över det ingående spänningsområdet på 7 till 18 volt (figur 10).

Figur 10: Transienter i spänningsreferensens strömlinje kan påverka dess prestanda negativt, men god intern ledningsreglering ska åtgärda detta. Till exempel visar kurvan över ADR43x-enheter ingen förändring i utsignalen trots en ledningstransient på 500 mV. (Bildkälla: Analog Devices)

Slutsats

Oavsett om de används internt i en ADC eller DAC eller som separata externa komponenter är spänningsreferenser en kritisk byggsten i alla system som använder dataomvandlare. Förbättringar i deras grundläggande precision, förskjutning och andra parametrar medför prestandaförbättringar på systemnivå.

Som vi har sett har konstruktörerna en stor uppsättning av egenskaper och förbättringar och hos spänningsreferenserna – både när det gäller topologi och process – som de kan välja mellan. Tillsammans med utökade egenskaper för att säkerställa precision och konsekvent prestanda under olika statiska och dynamiska driftförhållanden har den förvillande enkla spänningsreferensen mycket att erbjuda en designer som letar efter alternativ för att åtgärda strikta designkrav.

Referenser:

1. Analog Devices, AN-713, "Effekten av långsiktig förskjutning på spänningsreferenser"
2. Analog Devices, Engineer Zone, "Trimma ADR430"