德州仪器REF31xx-Q1电压基准源：高精度与低功耗的完美结合

在电子设计领域，电压基准源是许多电路系统中不可或缺的关键组件，其性能的优劣直接影响到整个系统的精度和稳定性。德州仪器（TI）推出的REF31xx-Q1系列电压基准源，以其卓越的性能和小巧的封装，在众多应用中展现出了强大的竞争力。今天，我们就来深入了解一下这款产品。

文件下载：ref31-q1.pdf

一、REF31xx-Q1的核心特性

1. 高可靠性与安全性

REF31xx-Q1通过了AEC-Q100认证，工作温度范围为 -40°C 至 125°C，能够适应各种恶劣的汽车和工业环境。同时，它具有良好的静电放电（ESD）防护能力，人体模型（HBM）ESD 分类等级为 H1C，充电设备模型（CDM）ESD 分类等级为 C4A，并且具备功能安全能力，还提供相关文档以辅助功能安全系统设计。

2. 高精度与低漂移

该系列产品的精度极高，最大误差仅为 0.2%。在温度漂移方面表现出色，从 -40°C 到 +125°C 的最大漂移为 20ppm/°C，在 0°C 到 70°C 的主要应用温度范围内，典型漂移系数仅为 5ppm/°C，这使得它在不同温度环境下都能提供稳定的输出电压。

3. 低功耗与高输出能力

REF31xx-Q1的静态电流极低，典型值为 100μA，最大值为 135μA，且在温度和电源变化时非常稳定。同时，它能够提供高达 ±10mA 的输出电流，满足多种负载需求。此外，它的压差极低，空载时仅需比输出电压高 5mV 的电源即可正常工作（REF3112 除外，其最小电源要求为 1.8V）。

4. 低噪声与无需输出电容

REF31xx-Q1的输出噪声较低，例如在 0.1Hz 至 10Hz 频率范围内，REF3112-Q1 的噪声为 17μVp-p/V。而且，该系列产品无需输出电容，简化了电路设计，降低了成本。

5. 丰富的电压选项与小巧封装

REF31xx-Q1提供了 1.2V、2V、2.5V、3V、3.3V、4V 等多种电压选项，可满足不同应用的需求。它采用了微小的 3 引脚 SOT-23 封装，尺寸仅为 2.92mm × 2.37mm，非常适合对空间要求较高的便携式和电池供电设备。

二、REF31xx-Q1的应用领域

1. 汽车电子

在混合动力汽车（HEV）/电动汽车（EV）动力系统中，REF31xx-Q1可用于汽车电池管理系统、逆变器和电动助力转向系统等，为这些关键系统提供稳定的电压基准，确保系统的精确控制和高效运行。在高级驾驶辅助系统（ADAS）中，如雷达系统、夜视系统、动态聚光灯和前置摄像头等，它的高精度和低噪声性能有助于提高系统的检测精度和图像质量。

2. 数据采集系统

数据采集系统通常需要稳定的电压基准来保持精度，REF31xx-Q1的稳定性和宽电压范围使其适用于大多数微控制器和数据转换器，为数据采集提供准确的参考电压。

3. 便携式设备

由于其低功耗和小巧的封装，REF31xx-Q1非常适合用于便携式、电池供电的设备，如手持仪器、可穿戴设备等，能够延长设备的电池续航时间。

三、REF31xx-Q1的详细技术分析

1. 工作原理

REF31xx-Q1是一系列基于CMOS工艺的精密带隙电压基准源。其基本带隙拓扑结构通过对晶体管 Q1 和 Q2 进行偏置，使 Q1 的电流密度大于 Q2。两者基极 - 发射极电压之差（Vbe1 - Vbe2）具有正温度系数，并被施加到电阻 R1 上。这个电压经过放大后与具有负温度系数的 Q2 基极 - 发射极电压相加，从而使输出电压几乎不受温度影响。不过，由于 Q2 基极 - 发射极电压的温度系数略有非线性，带隙电压会存在一定的曲率。

2. 关键参数分析

• 电源电压：除 REF3112 外，其他型号在空载时只需比输出电压高 5mV 的电源即可工作。在负载情况下，典型的压差与负载关系可参考典型特性曲线。同时，其静态电流在温度和电源变化时非常稳定，在整个电源范围内变化通常小于 2μA。但需要注意的是，当电源电压低于指定水平时，REF31xx-Q1 可能会瞬间吸取大于典型静态电流的电流，因此建议使用具有快速上升沿和低输出阻抗的电源。
• 热滞现象：热滞定义为设备在 25°C 下工作，经过指定温度范围（-40°C 至 +125°C）循环后再回到 25°C 时输出电压的变化。计算公式为 (V{HYST }=left(frac{a b sleft|V{P R E}-V{POST }right|}{V{NOM }}right) × 10^{6}(ppm))，其中 (V{PRE}) 是温度循环前在 25°C 下测量的输出电压，(V{POST}) 是温度循环后回到 25°C 时测量的输出电压。
• 温度漂移：REF31xx-Q1 的温度漂移采用箱式法计算，公式为 (Drift =left(frac{V{OUTMAX }-V{OUTMIN }}{V_{OUT } × Temperature Range }right) × 10^{6}(ppm))。在不同温度范围内，其漂移系数表现良好，如 0°C 到 70°C 典型漂移系数为 5ppm/°C，-40°C 到 +125°C 典型漂移系数为 10ppm/°C。
• 噪声性能：REF31xx-Q1 的噪声电压随输出电压和工作温度的升高而增加。典型的 0.1Hz 至 10Hz 电压噪声可参考相关曲线。为了改善输出噪声水平，可以使用额外的滤波措施，但要注意确保输出阻抗不会影响交流性能。
• 长期稳定性：长期稳定性指的是参考电压在数月或数年时间内的变化情况。REF31xx-Q1 在 0 到 1000 小时的典型漂移值为 70ppm，随着时间的推移，这种漂移效应会逐渐减小。
• 负载调节：负载调节定义为负载电流变化引起的输出电压变化。REF31xx-Q1 的负载调节通过力线和检测线进行测量，这种方式可以减少接触和走线电阻的影响，从而准确测量由 REF31xx-Q1 本身贡献的负载调节。对于需要改善负载调节的应用，必须使用力线和检测线。

3. 功能模式

• 负参考电压模式：对于需要正负参考电压的应用，可以将 REF31xx-Q1 与 OPA703 结合使用，从 ±5V 电源提供双电源参考。例如，使用 REF3125-Q1 可以提供 ±2.5V 的电源参考电压，其低漂移性能与 OPA703 的低失调电压和低漂移特性相结合，为分裂电源应用提供了准确的解决方案。
• 数据采集模式：REF31xx-Q1 系列的稳定性和宽电压范围使其非常适合数据采集系统。在多个基本数据采集系统示例中，它为微控制器和数据转换器提供了稳定的参考电压，确保了数据采集的准确性。

四、应用与实现要点

1. 电路连接与电容选择

REF31xx-Q1 无需负载电容，如果使用负载电容，建议选择 ESR 至少为 0.5Ω 的电容。同时，TI 建议使用 0.47μF 的电源旁路电容。

2. 典型应用电路

在一个低功率参考和调理电路中，REF31xx-Q1 可用于精确调理 ±5V 的双极性输入电压，使其适合具有 1.25V 参考电压的低压 ADC 进行转换。该电路通过精密参考电路对输入信号进行电平转换、为 ADC 提供参考电压，并为低功率模拟电路创建稳压电源。同时，使用低功率、零漂移的运算放大器电路对输入信号进行衰减和电平转换。设计时，需要考虑电源电压、最大输入电压、指定输入电压和 ADC 参考电压等参数，确保电路在较宽的输入范围内仍能正常工作。

3. 电源与布局建议

电源方面，除 REF3112 外，其他型号空载时只需比输出电压高 5mV 的电源，负载情况下可参考典型特性曲线。建议使用大于 0.47μF 的电源旁路电容。布局时，要在 REF31xx-Q1 的 (V_{IN}) 端连接低 ESR 的 0.47μF 陶瓷旁路电容，按设备规格对系统中的其他有源设备进行去耦。使用实心接地平面来帮助散热和减少电磁干扰（EMI）噪声拾取，将外部组件尽可能靠近设备放置，以防止寄生误差。同时，要尽量减小参考和偏置连接到 INA 和 ADC 之间的走线长度，避免敏感模拟走线与数字走线并行，若无法避免则尽量垂直交叉。

五、总结

德州仪器的 REF31xx-Q1 系列电压基准源以其高可靠性、高精度、低功耗、低噪声等诸多优点，成为了汽车电子、数据采集系统、便携式设备等众多应用领域的理想选择。在实际应用中，我们需要根据具体的设计需求，合理选择电压选项和电容值，并注意电源和布局的设计，以充分发挥 REF31xx-Q1 的性能优势。大家在实际使用过程中，有没有遇到过一些特殊的问题或者有独特的应用技巧呢？欢迎在评论区分享交流。