湿度正在偷偷毁掉你的基准源精度！
Tony liu
图1.1 基准源芯片稳定性的关键影响因素
在实际应用中，很多工程师在电路设计中使用了基准源芯片，却未必真正理解其存在的意义和作用。它常常被视为“系统中必须接的一个引脚”或者“ADC手册里推荐要加的器件”，但背后的原理和价值却被忽略了。
事实上，基准源并不是一个“可有可无”的元件，而是整个高精度模拟系统的基准坐标、信号量化的起点。它的稳定性直接决定了ADC/DAC转换的精度、测量系统的可靠性以及长期运行的一致性。可以说，只要你的系统中存在“量化”“采样”或者“控制输出”，基准源的性能就会深刻影响最终结果。
简单来说，基准源决定了你测量的是“多准”，控制的是“多稳”。如果基准本身漂移了，再高分辨率的ADC/DAC、再高精度的放大器，也只是建立在不可靠的基础之上。
在高精度模拟和测量系统中，基准源芯片（带隙基准源）是决定系统稳定性和精度的关键部件。工程师在设计这些系统的时候，通常关注的都是基准源芯片的温度漂移、噪声和初始精度等指标。并且我们看到的芯片数据手册中也都会集中凸显这些指标的图、表等，工程师在关注到这些性能的图表并设计对应系统的时候，却往往低估了环境湿度带来的影响。
事实上，长期运行中基准源芯片输出电压的变化很大一部分归因于湿度因素引起的应力和泄漏效应。有报告指出，非密封封装器件在相对湿度变化25%时输出漂移可达数十ppm以上。因此，深入理解湿度影响参考芯片稳定性的物理机理，并采取有效的控制和补偿对策，对于提高精密基准源的长期稳定性至关重要。
本文将从物理与材料层面分析湿度如何影响基准源芯片的输出稳定性，包括芯片裸片所受机械应力变化、PCB吸湿导致的漏电与噪声耦合、无源器件老化等机制。
随后，结合领慧立芯和TI、ADI的产品实测长期漂移数据，分析湿度的具体影响，比较陶瓷封装与塑料封装在湿度响应上的差异，说明湿度在不同封装、不同湿度波动条件以及不同耦合结构下的具体表现及其与温度变化的耦合效应。
最后，讨论目前业界已有的湿度控制技术的优缺点与适用场景。通过以上分析，希望为实现高稳定性的基准源芯片设计和应用提供有价值的思路。
图2.1 湿度对基准源芯片的影响
基准源芯片（带隙基准源）利用硅PN结的特性产生对温度一阶不敏感的基准电压。然而，这一电压对硅晶圆的机械应力非常敏感。
当封装材料或环境对芯片施加应力时，会通过压阻/压电结效应（Piezo-junction Effect）改变晶体管的基极-发射极电压Vbe和片上电阻值，从而导致基准源芯片输出漂移。
塑料封装的芯片特别容易受湿度引起的应力变化影响：塑封料会吸收水汽，环境湿度升高时，塑料封装材料膨胀并向内部芯片施加额外压力；湿度降低时塑料收缩，又造成应力变化。这种应力改变会直接导致基准源芯片输出产生漂移。
实验表明，在相对湿度变动的情况下，塑料封装基准源芯片的输出变化通常可达数十ppm量级，并且不同的湿度范围环境下，湿度每变化1%带来的基准源芯片的输出变化通常也不同。
一个直观的例证是，用手指按压塑封芯片会使基准输出瞬间变化，可见封装施加的机械应力对输出电压有直接影响。相比之下，陶瓷封装可将芯片与外界湿度隔绝，大幅减小湿度致应力影响。
然而，即便芯片采用了抗湿密封封装，如果PCB电路板受湿度膨胀变形，同样会通过引脚和焊点传递机械应力给芯片，导致输出偏移。因此，从材料力学角度看，湿度对参考芯片的首要影响机制是通过封装和电路板对裸片施加应力，引起带隙电路参数（Vbe、电阻等）改变而导致输出电压漂移。
图2.2 PCB吸湿引发的漏电与噪声耦合
除了机械应力，湿度还通过降低电路的绝缘性能而影响基准输出。印制电路板及其表面残留物在吸收水汽后，会显著降低绝缘阻抗，造成微小漏电流和噪声路径。高阻抗节点（例如基准源的输出若接高阻负载或调零网络）在高湿环境下易受到漏电流的影响。
实验表明，在潮湿且有杂质污染的PCB上，表面寄生电阻可从干燥环境下的10000GΩ降低到湿度高时的10GΩ，下降三个数量级。如此大的泄漏增益会在精密电路中造成微安级甚至更高的漏电流，从而引入μV量级的误差电压或噪声耦合。
这种湿度致漏电效应可能表现为参考输出缓慢漂移或噪声底抬升，尤其当基准源芯片周围存在高阻抗分压电阻、补偿电容等元件时更为明显。此外，湿度还能使PCB表面的杂质（如助焊剂残留、灰尘）变成导电通路，进一步恶化漏电问题。
因此，在湿度较高的环境中，即使芯片本身性能稳定，PCB吸湿导致的漏电流也可能通过偏置网络、输出节点对基准电压产生额外偏移和噪声耦合，需要予以关注和控制。
湿度还会加速参考电路中无源器件的老化，影响整体输出稳定。电阻和电容等元件在高湿环境下其材料特性可能发生变化。
例如，高精度薄膜电阻通常对湿度敏感，制造商定义“湿度系数”来表征阻值随湿度变化的程度。有些顶尖箔电阻的湿度系数可做到每增加1%RH阻值变化小于0.1 ppm（这是通过特殊封装和涂层实现的），而普通金属膜电阻可能出现明显更大的变化。
同样地，电容器特别是有机介质电容在潮湿中介电常数和损耗角可能变化，长期高湿会引发吸湿膨胀或介质微裂纹，导致电容值偏移或等效串联电阻（ESR）上升。这些无源器件参数的漂移会改变参考电路的工作点。
例如，带隙基准电路中用来设定偏置电流的片上电阻或温度补偿网络，在湿度作用下阻值改变将直接反映为输出电压变化。
此外，湿度还能促进金属接触件的腐蚀氧化，增加接触电阻和噪声。虽然现代参考芯片大多将关键电阻集成在芯片内部并作防护处理，但外围电路中的高值电阻、精密取样网络等仍可能受湿度老化影响而使基准输出产生长期漂移。因此，需要考虑元件选型和封装防护，以降低湿度引起的器件性能退化。
图2.3 无源器件的湿度老化效应
综上所述，从理论上看，湿度主要通过机械应力（封装/PCB吸湿膨胀）和绝缘下降（漏电/噪声耦合）这两大途径影响基准源芯片稳定性，同时加速相关器件老化，造成输出电压的长期漂移和不稳定。理解这些物理机制，为我们设计实验和提出对策提供了基础。
在设计高精度模拟与测量系统的基准源芯片（带隙基准源）时，我们不仅需要关注电压噪声、精度、温度漂移及静态电流等关键参数，更应高度重视长期漂移（Long-Term Drift, LTD）这一指标。
长期漂移的表现直接决定了系统稳定性与测量结果的长期准确性，可谓是高精度系统设计中不可或缺的基石！
图3.1 ADI ADR4525长期漂移测试结果
如图3.1所示为ADI ADR4525提供的基准源长期漂移（Long-Term Drift, LTD）测试结果。
那么，我们是否可以据此图来模拟或评估，以该基准源为核心构建的产品在实际应用中的输出稳定性或测量精度的长期表现呢？
针对基准源芯片选取了领慧立芯的LHR3025（SOP8封装）、 ADI的ADR4525和TI的REF5025。
根据各厂商提供的封装规格，ADR4525的湿度敏感度等级（Moisture Sensitivity Level, MSL）为1级，通常被认为具备较强的抗湿能力；而REF5025与LHR3025 的MSL等级均为2级，相对而言在高湿环境下更易受到影响。
ADR4520 湿度等级
本次实验首先选择最具代表性的典型室内环境作为测试场景。该环境条件贴近实际设备在日常使用中的工作状态。
最终测试结果如图3.2所示，结果与预期存在一定差距，令人略感失望。相较于数据手册中所呈现的优异性能表现，实际测试中基准源芯片的输出稳定性明显下降。
这不禁引发思考：为何在数据手册中表现如此理想的器件，在真实应用环境下却无法达到同样的效果？
图3.2 典型室内环境下长期漂移测试结果
看到这里，相信许多工程师已经敏锐地察觉到问题可能与环境温度有关。各大厂商在其产品数据手册中通常都会明确标注芯片在 -40℃ 至 125℃ 范围内的温度漂移（Temperature Coefficient）参数。
例如：REF5025为3 ppm/℃；ADR4525为2 ppm/℃；LHR3025为3 ppm/℃。为了进一步验证温度是否为导致测试结果偏离预期的关键因素，在恒温箱内进行了验证实验。
将恒温箱内温度设置为35℃，在该恒温条件下对上述实验进行重复测试，以排除环境温度波动的干扰。测试结果如图3.3所示。
图3.3 恒温环境下长期漂移测试结果
即便在温度波动控制在±0.5℃的恒温箱内进行实验，测试结果依然未达到预期。
从图3.3可以看出，排除了温度变化的主要干扰因素，基准源芯片的输出仍存在明显波动。这一现象表明，除了温度之外，仍有其他环境因素在影响测试结果，成为导致输出不稳定的关键变量。
在此，我们不得不引入另一个关键但常被忽略的因素：湿度对基准源芯片的影响。湿度作为环境中的另一重要扰动因素，可能在芯片输出稳定性中发挥了不可忽视的作用。
图3.4 长期漂移测试示意图
在上一小节中，我们已初步关注到湿度对基准源芯片输出稳定性的潜在影响。
但问题随之而来：是否仅仅是湿度在起作用？是否还存在其他干扰因素？湿度本身对基准源芯片的影响究竟有多大？
这些疑问不仅关乎我们对实验结果的深入理解，也关系到能否建立起对基准源长期稳定性更完整、更精准的认知框架。
因此，接下来的分析将围绕这些关键问题展开，进一步厘清湿度影响的具体机制与作用程度。为了进一步深入评估实际应用环境下，湿度对安装于普通FR4板材上的塑封封装基准源芯片的具体影响程度，本节将通过恒温箱环境进行更为细致和系统的实验分析。
本实验所使用的板卡均经过至少4000小时的长期老化处理，以确保排除长期漂移因素的干扰，所选芯片分别为REF5025、ADR4525以及LHR3025。
此外，为了对比封装材质对湿度敏感度的影响，我们还加入了领慧立芯的陶瓷封装LHR3025T。
恒温箱，单次测试几十块（内置干燥剂）
实验在恒温箱内进行，温度精确设置为35℃。为更直观地分析与比较湿度对不同芯片封装的影响，我们分别选取REF5025、ADR4525、LHR3025及LHR5025T各一片作为代表进行测量，其余芯片的实验结果与所选代表样本相似。
(1)LHR3025电压与湿度的关系：
图3.5 LHR3025电压与湿度的关系
(2)ADR4525电压与湿度的关系：
图3.6 ADR4525电压与湿度的关系
(3)REF5025电压与湿度的关系：
图3.7 REF5025电压与湿度的关系
(4)LHR5025T电压与湿度的关系：
图3.8 LHR5025T电压与湿度的关系
蓝色线表示基准源输出电压的变化趋势，红色曲线表示环境湿度的变化趋势。结合实验数据，我们可以得出以下几点重要结论：
1)如图3.4至图3.6所示，对比图3.3中的实验结果可以明显看出，导致基准源输出出现波动的主要原因为湿度变化所引发的影响。
2)如图3.6所示，测试结果中出现了较为明显的抖动现象，主要原因在于 REF5025本身的输出噪声较高。在相同采样率下，较大的噪声水平会直接导致测试数据波动幅度增加，从而呈现出更为明显的抖动效果。
3)陶瓷封装的LHR5025T展现出极佳的稳定性，新焊接的板卡在800小时的长期老化过程中，漂移量仅为10 ppm左右，表现十分出色。更为关键的是，得益于其密封陶瓷封装结构，LHR5025T对环境湿度几乎不敏感，有效规避了湿度引起的应力与漏电等干扰因素，进一步保障了输出的长期稳定性。
4)基准源输出电压与环境湿度的变化呈现出显著的正相关性，具体表现为：环境湿度升高时，基准源的输出电压随之升高；而当环境湿度降低时，基准源的输出电压也相应地下降。
5)湿度每变化约1%RH，基准源输出变化大约在4uV左右，湿度范围在3%RH~11%RH之间波动；
6)基准源输出对湿度变化存在明显的滞后效应，即环境湿度变化后，需要一段延迟时间，基准源输出才能体现出相应的变化趋势；
在上一组实验中，存在多个因素导致测试结果的可判定性不够清晰。首先，空气中湿度的变化具有不稳定性——有时剧烈波动，有时变化缓慢，而基准源芯片对湿度的响应又存在一定的滞后性与不确定性，这使得输出电压与湿度之间的对应关系难以准确捕捉。
其次，恒温箱内温度分布存在一定不均匀性，进一步引入了系统误差。此外，部分器件本身特性也对实验数据带来干扰，例如 REF5025 的本底噪声较大，在相同采样条件下，其输出抖动掩盖了湿度引起的微小漂移，影响了最终的可观测性与分析精度。
恒温油槽
因此本实验特意选用恒温油槽作为测试环境。油槽的温控精度可达±0.1℃，尽管油槽本身不具备主动控湿功能，但我们可以通过实时监测油槽内部湿度的微小变化，并结合基准源芯片输出的相应波动，准确判断湿度变化对基准源输出的实际影响程度。
实验在恒温油槽中进行，温度设置为 35℃，以确保局部环境具备高度稳定且一致的温湿度条件，从而有效排除空间温差和外界扰动的干扰。在油槽内部同步布置湿度传感器，实现环境湿度的实时监测与记录，确保后续数据分析的准确性与可追溯性。
为便于与前一组实验结果进行对比，并更直观地呈现湿度对基准源芯片输出的影响，本次测试继续选用3颗芯片作为代表样本：REF5025、ADR4525 和 LHR3025。
(1)LHR3025电压与湿度的关系：
图3.9 LHR3025电压与湿度的关系
(2)ADR4525电压与湿度的关系：
图3.10 ADR4525电压与湿度的关系
(3)REF5025电压与湿度的关系：
图3.11 REF5025电压与湿度的关系
通过上述实验，我们清晰地观察到，基准源芯片的输出确实会随着环境湿度的变化而产生明显的波动，并表现出明确的正相关性。
从上述三张图中可以直观地看到：蓝色曲线表示基准源输出电压的变化趋势，红色曲线表示环境湿度的变化趋势。结合实验数据，我们可以得出以下几个重要结论：
1)在油槽实验中，我们可以清晰观察到LHR3025和ADR4525的输出电压随环境湿度变化呈现出明显的响应波动；相比之下，REF5025的输出曲线则不具备同样的可辨性。这一差异主要源于REF5025本身具有较高的输出噪声水平，使得湿度引起的微小漂移被噪声所掩盖。而LHR3025和ADR4525的输出噪声较低，因此能够更直观地反映出湿度变化所带来的影响。
2)基准源输出与湿度变化呈现显著的正相关关系，即湿度上升会导致基准源输出电压增加；
3)湿度每变化约1%RH，基准源输出变化大约在2μV左右；
4)基准源输出对湿度变化存在明显的滞后效应，即环境湿度变化后，需要一段延迟时间，并且延迟时间不固定，基准源输出才能体现出相应的变化趋势；
需要特别指出的是，在空气环境中，湿度每变化1%RH，基准源输出电压的平均变化约为4μV；而在油槽内进行测试时，观察到的变化幅度约为2μV/%RH。造成这一差异的主要原因在于：油槽内的湿度分布极为均匀，且变化过程非常缓慢，从而避免了由于不同材料吸湿率差异所引发的局部膨胀不一致问题。
换句话说，芯片与板卡在油槽环境中受湿度影响的过程更为平稳、同步，有助于我们纯粹观察湿度这一单一变量对基准源输出的直接影响。
控制环境湿度本身是一项极具挑战性的任务，与其耗费大量精力在湿度控制上，不如直接从根本上考虑更为简单高效的替代方案。
最直接有效的办法是选用陶瓷、金属等密封封装的基准芯片或模块。此类封装（如领慧立芯的LHR5025T）能够将芯片与外界湿气隔绝，几乎杜绝湿度对芯片内部的直接作用。
实测结果如图3.8显示，密封封装的基准源湿度灵敏度可低至0.1ppm/%RH以下，远优于塑料封装的数ppm/%RH水平。此外，密封封装往往热应力也较小，可同时改善温度循环迟滞和长期老化漂移。
领慧立芯推出的LHR5025T采用了常规的SOP8封装形式，非常适合于等位替换方案，更好地满足对性能有一定要求的应用场景。
需要注意的是，即便芯片本体密封，PCB板材自身的吸湿膨胀仍可能通过引脚焊点传递应力给芯片。
为此，可考虑选用低吸湿性的PCB材料（如聚四氟乙烯基板）或优化板布局（例如在基准芯片周围开槽减小耦合应力，如下图所示），从而充分发挥密封芯片的优势。
考虑软件层面的长期漂移监测与补偿将是必要的补充。可以在电路中加入辅助参考或传感，用算法来校准主参考。具体而言，可以集成一个微型湿度传感器靠近参考芯片，实时测量环境湿度，并根据实验标定的湿度-漂移关系对基准值进行补偿计算。
然而在前述实验中我们已提到，湿度对基准源芯片、PCB板材以及板上无源器件的影响具有明显的滞后性与不确定性，并且这种影响在不同环境条件下表现出差异性。因此，试图依靠算法对湿度引起的漂移进行精确校准，在实际应用中存在较大难度。
不过，鉴于我们在实验过程中已同步记录了环境湿度的实时变化数据，具备一定的基础条件，仍可尝试进行湿度相关性的初步校准分析，以评估其在特定应用场景中的可行性。
以图3.4中领慧立芯 LHR3025 的实验数据为例，可以明显观察到基准源输出电压随着环境湿度的变化而发生相应波动。
为进一步验证湿度对输出稳定性的实际影响，我们在测试过程中同步记录了基准源的输出电压和环境湿度，并利用湿度传感器实时采集湿度数据。
随后，以先前实验中确定的平均响应系数 4μV/%RH作为参考，对输出电压变化进行校验分析，具体校验结果如下图所示。
(1)LHR3025湿度校准前后数据对比：
图4.1 LHR3025湿度校准前后数据对比
如图4.1所示，选取领慧立芯的LHR3025基准源芯片，对其在湿度校准前后的输出电压进行对比分析。
从图中可以明显看出，湿度校准后，芯片输出电压对湿度变化的波动幅度有所减小，说明校准在一定程度上具备抑制作用。
然而，这一改善仍较为有限——整体波动幅度仅减少约三分之一。例如，校准前电压抖动约为30μV，校准后下降至约20μV，表明湿度校准虽然有效，但尚不足以完全消除湿度对基准输出的干扰。
如果当前的湿度校准结果仍难以令人满意，可以进一步探索更深层次、更高维度的湿度校准算法作为后续研究方向。
这类方法可能涉及多变量建模、动态系统识别或基于机器学习的非线性拟合等手段，其前提是需要大量高质量的测试数据作为支撑。鉴于本报告的重点并不在于深入展开此类复杂算法的研究，相关内容在此不作进一步讨论。
本文围绕基准源芯片在高精度模拟与测量系统中的长期稳定性问题，系统性地分析了湿度作为关键环境因素对其输出性能的多重影响。
通过从物理机制出发，结合材料特性、封装结构及电路层级，深入探讨了湿度引起的机械应力、漏电耦合以及无源器件老化三大路径。
实验部分则以多款主流基准源芯片为对象，在恒温环境中验证了湿度变化与输出电压之间的显著相关性，并进一步对不同封装方案的湿度响应差异进行了定量对比。
结果显示，湿度不仅是导致长期漂移的关键诱因之一，且其作用机制复杂、响应滞后、影响因素交织，使得单纯的结构优化或软件校准难以完全抵消其带来的干扰。
在实验过程中我们还意外观察到，由于 REF5025 本身具有较高的输出噪声，在相同采样率下，其测试结果相较于 LHR3025 和 ADR4525 展现出更明显的波动，导致整体实验曲线的稳定性表现存在一定差距。这一差异强调了噪声水平在基准源性能评估中的重要性，尤其在进行长期漂移或微小变化分析时更为显著。
陶瓷封装芯片（如LHR5025T）在湿度适应性上显著优于塑封芯片，为系统级抗湿设计提供了有效路径；而基于湿度传感数据的初步校准虽然具备一定抑制效果，但改善幅度有限，未来仍需依赖更复杂的建模与数据驱动方法进一步提高补偿精度。
综上所述，想要构建具备μV级稳定性的高精度系统，仅关注芯片本身的数据手册参数远远不够。唯有结合湿度影响机理，从材料选型、封装结构、电路布局到环境补偿全面优化，才能真正实现长期稳定、可靠的系统输出。
这一过程，也为精密模拟设计从“器件精度”走向“系统稳态”的认知转变提供了重要启示。
