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Sieben Tipps zum Auswählen von Spannungsreferenzen

| Redakteur: Kristin Rinortner

(Bild: sobakasu - Fotolia)

Frage: Wie wähle ich eine Spannungsreferenz aus? Antwort: Es gibt bei Referenzen viele Parameter zu beachten, denn die Messgenauigkeit einer Schaltung hängt entscheidend von der Spannungsreferenz ab.

Jeder Bausteintyp hat spezielle Parameter, die optimiert werden müssen. In diesem Beitrag geht es um Spannungsreferenzen zum Erzeugen einer stabilen und genauen Gleichspannung, die die Genauigkeit von A/D-Wandlern, D/A-Wandlern und anderen Analogschaltkreisen beeinträchtigt.

Eine Spannungsreferenz soll eine genaue Spannung erzeugen. Somit sind der Wert und die Genauigkeit der Ausgangsspannung offensichtlich von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus sind bausteinspezifische Parameter, wie zum Beispiel Temperaturdrift, Langzeit-Stabilität, Ausgangsschaltkreis, Reserven und Rauschen, zu berücksichtigen.

Ein begrenzte Auswahl an Ausgangsspannungen steht zur Verfügung, wobei fast alle zwischen +0,5 und +10 V liegen. Meines Wissens gibt es auf dem Markt keine Referenzen mit drei Anschlüssen und negativer Ausgangsspannung [1]. Referenzen mit zwei Anschlüssen (Shunt) können mit positiven oder negativen Versorgungen verwendet werden.

Zusätzlich zu Referenzen mit fester Spannung lässt sich bei manchen Referenzen der Ausgang mit einem oder zwei externen Widerständen programmieren. Die Genauigkeit und Stabilität dieser Referenzen sind selbstverständlich abhängig von der Genauigkeit und Stabilität der Widerstände sowie von der internen Genauigkeit der Referenz.

Welche Genauigkeit und Stabilität sind möglich?

Stellt sich die Frage, mit welcher Genauigkeit und Stabilität man rechnen kann. Für den AD588 sind ein maximaler Anfangsfehler von 0,01% (ein Teil in 10000 oder etwa 13 Bit) und ein maximaler Temperaturkoeffizient von 1,5 ppm/°C spezifiziert. Über den einen Temperaturbereich von –40 bis +100°C könnte dies eine Abweichung von 210 ppm oder 1 LSB bei 12 Bit bewirken.

Ohne Temperaturkompensation lässt sich eine bestmögliche absolute Genauigkeit von etwa 12 Bit über die Temperatur garantieren. Bei einer Kalibrierung mit teuren und hochgenauen Spannungsstandards (Racks mit Geräten, nicht ICs) und begrenztem Temperaturbereich von etwa Zimmertemperatur lässt sich eine temperaturkompensierte absolute Genauigkeit von etwa 16 Bit erreichen.

Sollte die Temperatur jedoch über einen großen Bereich variieren, begrenzt eine thermo-mechanische Hysterese die Wiederholbarkeit einer Spannungsreferenz auf etwa 14 Bit. Und dies unabhängig davon, wie gut sie kalibriert und temperaturkompensiert ist.

In den Datenblättern vieler Referenzen ist die Langzeitdrift mit etwa 25 ppm/1000 h (typ.) spezifiziert. Dieser Fehler ist proportional zur Quadratwurzel der abgelaufenen Zeit, also 25 ppm/1000 h ≈ 75 ppm/Jahr. Die tatsächliche Rate ist wahrscheinlich (aber nicht sicher) etwas besser als dies, da sich die Alterungsrate oft nach den ersten paar tausend Stunden reduziert. Somit gibt es auch hier wieder einen Wert von etwa 14 Bit.

Die beiden Basistypen von Referenzspannungsarchitekturen

Die beiden Basistypen von Referenzausgangsarchitekturen sind Serie und Shunt. Eine Shunt-Referenz ähnelt einer Zener-Diode insofern, dass sie zwei Anschlüsse hat und variable Ströme bei einer festen Spannung aufnimmt. Ein Serienregler hat drei Anschlüsse — Eingang, Ausgang und Masse [2].

Eine Gleichspannung, die die Referenzspannung übersteigt, wird an den Eingang angelegt. Der Ausgang liefert dann die genaue Referenzspannung. Die meisten Referenzen verlangen, dass die Eingangsspannung 1 V oder mehr über dem Eingang liegt. LDO-Referenzen (Low drop out) erlauben jedoch Differenzen von wenigen zehn oder hundert Millivolt.

Die einfachsten Serien-Spannungsreferenzen enthalten Emitter-Folger-Ausgangsstufen und können nur Strom abgeben. Viele Referenzapplikationen verlangen jedoch, dass die Referenz auch Strom aufnehmen kann. Dies muss geprüft werden, wenn eine Applikation verlangt, dass Strom in beide Richtungen fließt.

Die Mechanismen zum Erzeugen von Präzisions-Referenzspannungen können rauschbehaftet sein. Daher ist es wichtig zu verifizieren, dass das Referenzrauschen für die jeweilige Anwendung niedrig genug ist. Mittenbandrauschen (über 100 Hz) kann eine spektrale Dichte von mehreren zehn mV/√Hz oder mehr haben. Normalerweise lässt sich dies aber mit einem Kondensator filtern. Vorausgesetzt die Referenz ist bei kapazitiven Lasten stabil. Selbst wenn die Referenz stabil ist, kann jedoch eine kapazitive Last die Einschaltzeit verlängern.

Niederfrequenzrauschen, das problematischer sein kann, befindet sich normalerweise in einem Frequenzband von oft 0,1 bis 10 Hz. Weniger als 5 μVss ist gut. 1 bis 2 μVss ist außergewöhnlich.

Andere Betrachtungen, die für allgemeine Analog-ICs gelten, treffen auch auf Spannungsreferenzen zu.

Fußnoten:
[1] Es gibt einige negative Linearregler. Allerdings sind diese nicht genau genug, um sie als Spannungsreferenzen zu verwenden. Es gibt keinen technischen Grund, warum negative Referenzen mit drei Anschlüssen nicht entwickelt werden sollten. Ihr Fehlen ist scheinbar auf einen fehlenden Bedarf zurückzuführen. („Sie sind die fünfzehnte Person, der ich heute gesagt habe: Wir verkaufen sie nicht, es gibt keinen Bedarf!“)

[2] Diese Aussage gilt für den Basisbaustein. Andere Anschlüsse, zum Beispiel Chip-Enable, Rauschfilterung sowie Sense- und Force-Ausgangsanschlüsse können in komplexeren Referenzen vorhanden sein.

Autor: Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices.

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