有許多應(yīng)用，例如現(xiàn)場傳感器，需要長時(shí)間的基準(zhǔn)電壓源具有高精度。快速更換這些設(shè)備通常是不合理的，而且很多時(shí)候是不可能的。在使用基準(zhǔn)電壓源的現(xiàn)場傳感器的惡劣環(huán)境中，電氣系統(tǒng)中監(jiān)測和測量石油、天然氣、壓力和/或溫度的關(guān)鍵設(shè)備是看似微不足道的基準(zhǔn)電壓源。這些應(yīng)用中的基準(zhǔn)電壓源必須滿足嚴(yán)格的規(guī)格，以保持所有測量和計(jì)算的絕對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)。在此設(shè)計(jì)解決方案中，您將看到密封陶瓷基準(zhǔn)電壓源，具有出色的濕度敏感性和可忽略不計(jì)的長期漂移，這兩個(gè)變量使其成為需要長時(shí)間高精度應(yīng)用的絕佳選擇。

介紹

在這種 21 世紀(jì)的環(huán)境中，我們每年都會(huì)更換小工具，并期望它們正常工作，即使它們不會(huì)持續(xù)那么長時(shí)間。它們通常只能存活到下一個(gè)修訂版出來，但這似乎是大多數(shù)人可以接受的。相比之下，有許多應(yīng)用，例如現(xiàn)場傳感器，需要長時(shí)間的高精度。快速更換這些設(shè)備通常是不合理的，而且很多時(shí)候是不可能的。

在現(xiàn)場傳感器的惡劣環(huán)境中，電氣系統(tǒng)中監(jiān)測和測量石油、天然氣、壓力和/或溫度的關(guān)鍵設(shè)備是看似微不足道的基準(zhǔn)電壓源。在這些系統(tǒng)中，基準(zhǔn)電壓源的作用是通過為所有測量和計(jì)算保持絕對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)來充當(dāng)模擬看門人。考慮到這些系統(tǒng)所經(jīng)歷的極端工作條件，這可能是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

在本文中，我們不僅將討論相對(duì)濕度（RH）和長期漂移（LTD）這兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)境變量隨時(shí)間變化的影響，還將討論基準(zhǔn)電壓守門人和使這些變量“非問題”的成功解決方案的影響。

基準(zhǔn)電壓柵網(wǎng)

從根本上說，系統(tǒng)精度取決于基準(zhǔn)電壓器件。例如，系統(tǒng)的模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用基準(zhǔn)電壓來產(chǎn)生數(shù)字結(jié)果，其中基準(zhǔn)電壓值是輸出數(shù)字字的組成部分（圖 2）。

圖2.SAR ADC 信號(hào)路徑 （a） 和 ΔΣ ADC 信號(hào)路徑 （b） 都需要電路中的基準(zhǔn)電壓源 （REF）。

在圖 2 中，左列顯示了一些比較流行的傳感器。這些信號(hào)可以通過（A）路徑，以逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC）結(jié)束，也可以通過（B）路徑，以Δσ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ΔΣ ADC）結(jié)束。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)精密基準(zhǔn)電壓源（REF）來完成轉(zhuǎn)換。

在與SAR ADC的信號(hào)路徑（A）和與ΔΣ ADC的信號(hào)路徑（B）中，轉(zhuǎn)換器的LSB大小等于：

（公式1）

其中 LSB = 最低有效位

V裁判= 基準(zhǔn)電壓

N = ADC 位數(shù)

從公式1可以清楚地看出，基準(zhǔn)電壓源對(duì)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的精度有直接影響。

濕度和漂移與時(shí)間的關(guān)系

在現(xiàn)場傳感器應(yīng)用中，隨著時(shí)間的推移，電子設(shè)備可能會(huì)經(jīng)歷較大的濕度偏移。例如，珠穆朗瑪峰大本營的相對(duì)濕度全年最高可達(dá)98%至20%。這相當(dāng)于 78% 的相對(duì)濕度增量。在這種環(huán)境中使用系統(tǒng)，保證設(shè)備精度至關(guān)重要。

實(shí)現(xiàn)此保證的途徑是使用最穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源。通過單獨(dú)查看基準(zhǔn)電壓源，可以預(yù)測系統(tǒng)隨時(shí)間推移的穩(wěn)定性。

塑料電壓基準(zhǔn)性能

以下濕度室測試結(jié)果顯示了兩組供電電壓基準(zhǔn)的電壓精度，以RH、漂移和經(jīng)過時(shí)間作為變量。

圖3顯示了濕度箱測試期間的環(huán)境條件。灰線表示相對(duì)穩(wěn)定的溫度，約為+26.5°C，藍(lán)線表示相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化。從大約 600 小時(shí)開始，腔室濕度從 45% 變?yōu)?28%。

圖3.腔室相對(duì)濕度在 28% 和 45% 之間波動(dòng)。

圖4顯示了第一組被測基準(zhǔn)電壓源的精度變化。

濕度敏感性是基準(zhǔn)電壓源精度變化程度與所施加的相對(duì)濕度變化的絕對(duì)值。計(jì)算出的濕度敏感性等于精度的增量變化除以RH的增量變化。

圖4.16個(gè)SOT23塑料MAX6070測試結(jié)果為基準(zhǔn)電壓，采用塑料封裝。

一旦相對(duì)濕度恢復(fù)到45%，基準(zhǔn)電壓源精度將繼續(xù)遵循原始漂移誤差趨勢，隨著時(shí)間的推移而減小。

1300小時(shí)時(shí)的總變化約為75ppm。在此期間，平均精度變化約為 75ppm/1300 小時(shí) = 5.8% （ppm/小時(shí)）。

在這種環(huán)境下，24位轉(zhuǎn)換器和2.5V基準(zhǔn)電壓源在~109 LSB的濕度偏移期間將產(chǎn)生滿量程誤差。

該測試說明了 17% 相對(duì)濕度增量的影響。在珠穆朗瑪峰的底部，每年有78%的相對(duì)濕度三角洲。在珠穆朗瑪峰的基本條件下，相對(duì)濕度的變化會(huì)導(dǎo)致~500 LSB的滿量程誤差。

陶瓷性能

圖5顯示了在相同條件下測試的密封陶瓷封裝中第二組基準(zhǔn)電壓源的精度變化。

圖5.16個(gè)MAX6079電壓基準(zhǔn)測試結(jié)果，用于陶瓷封裝的電壓可靠性。

在 600 到 700 小時(shí)的時(shí)間范圍內(nèi)，準(zhǔn)確性似乎略有變化，但并不顯著。對(duì)于該測試組，濕度敏感性極小。換句話說，相對(duì)濕度每變化1%，對(duì)基準(zhǔn)電壓源精度的影響將非常小。

一旦相對(duì)濕度恢復(fù)到45%，基準(zhǔn)電壓源精度將繼續(xù)保持穩(wěn)定。整個(gè)1300小時(shí)基本上沒有變化。對(duì)于需要運(yùn)行超過 10 年或 15 年的許多不同系統(tǒng)來說，這種低漂移水平是非常理想的。

陶瓷精度

采用密封陶瓷封裝的基準(zhǔn)電壓源提供了適用于現(xiàn)場傳感器應(yīng)用的高精度解決方案。高精度因素體現(xiàn)在精度、長期穩(wěn)定性和極低的濕度敏感性方面。

圖6.基準(zhǔn)電壓源 （U5），采用陶瓷封裝。

陶瓷基準(zhǔn)電壓源（圖 6）具有可靠性，即使長時(shí)間暴露在相對(duì)濕度下也是如此。陶瓷封裝的密封性創(chuàng)造了完美的濕度屏蔽，具有出色的溫度系數(shù) （6ppm/°C、25ppm/°C）、低噪聲 （5μV）有效值， 64μV有效值）、高精度（±0.04%，0.1%）和低電源電流（200μA，~70μA）規(guī)格。

獲獎(jiǎng)規(guī)格

現(xiàn)場傳感器應(yīng)用需要長時(shí)間的高精度。壓力和溫度測量系統(tǒng)通常存在于需要可靠基準(zhǔn)電壓源以維持測量一致性的環(huán)境中。

這些應(yīng)用系統(tǒng)中的基準(zhǔn)電壓源必須滿足嚴(yán)格的規(guī)格，以保持所有測量和計(jì)算的絕對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)。測試證明，密封陶瓷封裝具有出色的濕敏化性和可忽略不計(jì)的長期漂移，這兩個(gè)變量使其成為需要長時(shí)間高精度應(yīng)用的絕佳選擇。

審核編輯：郭婷