什么原因导致电压基准中的热滞后?

关键的外卖

• 电压参考电路需要在长时间内提供高度稳定的输出。

• 热滞是温度循环过程中发生的一种效应，其中电压参考电路的输出在循环后会发生位移。

• 热滞不能消除，但可以通过安装到PCB布局后的一些简单步骤来减少热滞。

这些元件中的参考电压电路在温度循环过程中会发生热滞。

当您需要在PCB布局中放置电压参考时，它需要对热波动和外部噪声保持超稳定。电压基准漂移会产生微小的电压误差，这在某些精密测量系统以及精密调节器和高分辨率转换器中是不可接受的。参考电压电路有一个特定的量来定义它们如何受到温度循环的影响，称为热滞后。

对于半导体元件来说，由于半导体器件的平面结构，热滞现象是不可避免的。虽然不能完全防止热滞后，但在将产品部署到终端环境之前，可以通过适当的PCB安装和电气测试来抑制热滞后。以下是导致热滞后的原因，以及在准备部署新解决方案时如何消除它。

什么是热滞后?

从技术上讲，由于某些变量或系统参数的变化，包括温度和随温度变化的量，任何物理上可测量的量都可能在测量过程中表现出滞后现象。热滞现象通常是根据含有抗冻蛋白/糖蛋白的溶液中冰晶的凝固点和熔点的分离来讨论的，其中，当溶液的温度在极端值之间循环时，凝固点和熔点将略有变化。从概念上讲，热滞可以与磁滞相比较，其中循环磁场留下一些残余磁化。

电路中的热滞现象

在电子学中，热滞被用来描述电压基准的精度。这些是精密电路和器件，用于在其他电路中提供稳定的电压测量比较。一些需要稳定参考电压的电路和元件有:

• 模拟-数字转换器(adc)和数字-模拟转换器(dac):这两个电路使用电压基准来设置量化值．

• 低压降差(LDO)稳压器:参考电压被用作误差放大器的一个输入，用于检测稳压器的输出电压何时降得过低。然后误差放大器调制一个MOSFET来校正输出电压到所需的值。

• 比较器:电压基准为比较器的高、低阈值及其自身的开关迟滞提供了基础。这可以由电池提供，齐纳二极管，或硅带隙基准。

正式的定义

热滞后被正式定义为设备在整个工作温度范围内循环之前和之后在环境温度(+25°C)下输出电压的变化。电压参考电路中的热滞后通常以ppm/°C为测量单位。这是输出参考电压的量将改变由于温度周期在一个区间ΔT。实际上，当温度在整个ΔT循环时，这是一个从参考电压电路输出电压的永久变化。

如果器件在其低温和高温额定值之间循环(例如，许多组件的-40°C到125°C)，对于典型的带隙参考电压电路，输出的总变化可以达到~1 mV。正确安装在PCB上的高精度电路在整个工作温度范围内的迟滞值可低至~ 105ppm。请注意，即使电路的温度保持在恒定值，长期漂移也会发生在这些电路中。

示例热滞测量参考电压用于LDO稳压器。

热滞后的原因是什么?

热滞是由温度循环过程中累积在半导体模具上的机械应力造成的。应力分布以及应力如何从设备中释放取决于模具之前是否处于较高或较低的温度，以及设备中过去的应力历史。由于热膨胀和收缩，应力在模具上的不同位置积聚和设置。

一旦带有参考电压电路的器件从生产线上下来，通常会在标准环境条件下进行短暂的测试。接下来发生的事情会在半导体芯片上施加压力，并导致参考电压电路的输出以以下方式发生变化:

• 包装时加热和冷却:模具放入包装时，在高温下用环氧树脂包装包裹。然后，包装冷却并恢复到环境温度。在这个过程中，应力会在模具上积累。

• 组装过程中的焊接:波峰焊需要将设备加热到高温，并保持该温度一段时间。冷却后，模具中会积累一些应力。手工焊接不会使整个设备加热到引起显著应力积累的程度。

• 工作时加热:当器件在PCB上工作时，其温度不可避免地会发生变化。热量可以流向参考电压电路从板上的其他组件或者来自外部环境。

在容易产生热滞的组件周围放置一个切槽是增加组件下方衬底刚度的一种方法。此外，将设备放置在远离PCB中心的地方。实验证明，这两种方法都能减少应力积累和由此产生的热滞后。

板的边缘提供了一个坚固的表面安装，这将防止输出电压的变化，由于热滞后。

最后，为了减轻模具中的应力并迫使参考电压电路稳定到其长期输出，可以在组装的PCB运行时重复循环电路。它可能需要多次循环，但一些组件制造商对参考电压的测量表明，在重复循环后，滞回窗口会随着时间的推移而减小。

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