ADI:用 20 位 DAC 完成 1 ppm 精度— 精细电压源

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简介

高分辨率数模转换器(DAC)的常见用处之一是供给可控精细电压。分辨率高达20位、精度达1 ppm且具有合理速率的DAC的运用规模包含医疗MRI体系中的梯度线圈操控、测验和计量中的精细直流源、质谱测定和气谱分析中的精细定点和方位操控以及科学运用中的光束检测。

跟着时刻的推移，半导体处理和片内校准技能的开展，关于精细集成电路DAC的界说也不断改变。高精度12 位DAC一度被以为遥不行及；近年来，16 位精度已日益在精细医学、仪器仪表、测验和计量运用中得到广泛运用；在未来，操控体系和仪器仪表体系乃至需求更高的分辨率和精度。

高精细运用现在要求18/20位、1 ppm精度数模转换器，曾经只要粗笨、贵重、慢速的Kelvin-Varley分压器才干到达这一功用水平—归于规范实验室的专利，简直不适用于实际仪器仪表体系。针对这类要求且选用IC DAC组件，更便当的半导体1 ppm 精度解决方案已推出数年，但此类杂乱体系需求运用多种器材，需求不断进行校准，还需十分慎重才可获得抱负精度，并且体积大、本钱高（见附录）。长久以来，精细仪器仪表商场都需求一种更简略，具有本钱优势，无需校准或继续监控，简略易用，并且供给确保功用标准的DAC。现在，从16 位和18 位单芯片转换器（如DAC）天然晋级已成为或许。

AD5791 1 ppm DAC

半导体处理技能、DAC架构规划和快速片内校准技能的开展使安稳、树立时刻短的高线性度数模转换器成为或许。这种转换器可供给高优于1 ppm的相对精度、0.05 ppm/°C温度漂移、0.1 ppm p-p噪声、优于1 ppm的长时刻安稳性和1MHz吞吐量。这类小型单芯片器材确保功用标准，无需校准且简略易用。AD5791及其配套基准电压源和输出缓冲的典型功用框图如图1所示。

AD5791是一款单芯片、20 位、电压输出数模转换器，具有额外的1 LSB（最低有用位）积分非线性度(INL)和微分非线性度(DNL)，是业界首款单芯片1 ppm 精度的数模转换器（1 LSB@20位为2²⁰分之一 =1,048,576分之一 = 1 ppm）。该器材规划用于高精细仪器仪表以及测验和计量体系，与其他解决方案比较，其整体功用有较大进步，具有更高的精度、体积更小、本钱更低，使曾经不具经济可行性的仪器仪表运用成为或许。

其规划（如图2所示）选用精细电压形式R-2R架构，使用了最新的薄膜电阻匹配技能，并经过片内校准例程来完成1 ppm精度。由于AD5791选用工厂校准形式，因而运行时无需校准程序，其推迟不超越100 ns，可用于波形生成运用及快速操控环路。

AD5791不光供给超卓的线性度，并且可具有9 nV/Hz噪声密度、0.1 Hz至10 Hz频带内0.6 μV峰峰值噪声、0.05 ppm/°C温度漂移，且其1000小时长时刻安稳性优于0.1 ppm。

作为一种高电压器材，选用双电源供电，最高±16.5 V。输出电压规模由正负基准电压V_REFP 和V_REFN决议，供给了灵敏的输出规模挑选。

AD5791 所用精细架构要求运用高功用外置放大器来缓冲来自3.4 kΩ DAC电阻的基准源，为基准输入引脚的加载感应供给便利，以确保AD5791的1 ppm线性度。AD5791需求一个输出缓冲来驱动负载，以减轻3.4 kΩ输出阻抗的担负——除非驱动的是一个极高阻抗、低电容负载——或许衰减处于容限之内并可猜测。

由于放大器为外置型，可依据噪声、温度漂移和速度的优化需求进行挑选——并可调整份额因子——具体视运用需求而定。关于基准缓冲，主张选用AD8676 双通道放大器，其具有低噪声、低失调差错、低失调差错漂移和低输入偏置电流的特色。基准缓冲的输入偏置电流特性十分重要，由于过大的偏置电流会下降直流线性度。积分非线性度的下降（单位：ppm）为输入偏置电流的函数，一般表明为：

其间，I_BIAS 单位为 nA; V_REFP 和 V_REFN 的单位均为伏特。例如，关于±10 V的基准输入规模，100 nA的输入偏置电流将使INL进步0.05 ppm。

输出缓冲的首要要求与基准缓冲类似——仅有破例是偏置电流，由于它不影响AD5791的线性度。但失调电压和输入偏置电流或许会影响到输出失调电压。为了坚持直流精度，主张将AD8675 用作输出缓冲。高吞吐量运用要求运用较高压摆率的快速输出缓冲放大器。

表1 列出了少量适用精细放大器的关键技能标准。

AD5791具有规划时刻更短、规划危险更小、本钱更低、电路板尺度更小、可靠性更高和确保功用标准的特色。

图3是一种电路示意图，其间以AD5791 (U1)作为精细数控1 ppm电压源，电压规模为±10V，增量为20 μV；以AD8676 (U2)作为基准缓冲；以AD8675 (U3)作为输出缓冲。肯定精度取决于外置10 V基准电压源的挑选。

功用丈量

该电路的重要方针是积分非线性度、微分非线性度和0.1 Hz至10 Hz峰峰值噪声。图4显现，典型INL处于±0.6 LSB之内。

图5所示典型DNL为±0.5 LSB；在整个位跃迁规模内，输出均可确保单调性。

0.1 Hz至10 Hz带宽内的峰峰值噪声约为700 nV，如图6所示。

AD5791仅仅是个开端：

1 ppm电路的杂乱性

虽然AD5791一类的精细次 1 ppm元件已上市，但构建1 ppm体系并非易事，不能草率对待。有必要全面考虑在这个精度等级呈现的差错源。1 ppm 精度电路中的首要差错源为噪声、温度漂移、热电电压和物理应力。应遵从精细电路的构建技能，以尽量下降此类差错在整个电路中的耦合和传播效应，防止发生外部搅扰。下面将扼要总结这些考虑要素。更多概况请参阅参阅文献。

噪声

作业于1 ppm分辨率和精度时，有必要将噪声降至最低水平。AD5791的噪声频谱密度为9 nV/Hz，首要源于3.4 kΩ DAC电阻的约翰逊噪声。为了尽量防止添加体系噪声，有必要将一切外设的噪声奉献降至最低。电阻值应低于DAC电阻，以确保其约翰逊噪声奉献不会大幅进步方和根整体噪声水平。AD8676基准缓冲和AD8675输出缓冲额外噪声密度为2.8 nV/Hz，远远低于DAC的噪声奉献。

经过简略的R-C滤波器，即可相对简略地消除高频噪声，但0.1 Hz至10 Hz规模内的1/f噪声却很难在不影响直流精度的状况下滤除。下降1/f噪声最有用的办法是防止其进入电路之中。AD5791在0.1 Hz至10 Hz带宽下发生约0.6 μV峰峰值噪声，远低于1 LSB（输出规模为±10 V时，1 LSB = 19 μV）。在整个电路中，1/f最大噪声的方针值应为0.1 LSB或2 μV左右，经过挑选适宜的元件即可到达此方针。电路中的放大器发生0.1 μV峰峰值1/f噪声； 信号链中的三个放大器在电路输出端共发生约0.2 μV峰峰值噪声。加上来自AD5791的0.6 μV峰峰值噪声，估计总1/f噪声约为0.8 μV峰峰值， 该值与图5所示丈量值严密相关。这为或许添加的其他电路（如放大器、电阻和基准电压源）等留出了足够的余量。

除随机噪声以外，还须防止由辐射、传导和感应电搅扰导致的差错。有必要选用屏蔽、防护、慎重接地、正确的印刷电路板布线等技能。

温度漂移

与一切精细电路相同，一切元件的温度漂移是首要差错源之一。削减漂移的关键是挑选次 1 ppm温度系数的重要元件。AD5791具有极低的温度系数，为0.05 ppm/°C。AD8676基准缓冲的漂移系数为0.6 μV/°C，一共会向电路中增0.03 ppm/°C的增益漂移；AD8675输出缓冲会再奉献0.03 ppm/°C的输出漂移；相加后为0.11 ppm/°C。缩放和增益电路中应运用低漂移、热匹配电阻网络。主张运用Vishay体金属薄膜分压器电阻系列300144Z和300145，其电阻盯梢温度系数为0.1 ppm/°C。

热电电压

热电电压是Seebeck效应形成的成果：相异金属结处发生与温度有关的电压。依据结处的金属元件，成果发生的电压坐落0.2 μV/°C至1 mV/°C之间。最好的状况是铜铜结，发生的热电EMF不到0.2 μV/°C。在最糟糕的状况下，铜铜氧化物结可发生最大1 mV/°C的热电电压。对小幅温度动摇的这种灵敏度意味着，邻近的耗能元件或跨过印刷电路板(PCB)的低速气流或许发生不同的温度梯度，成果发生不同的热电电压，而这种电压又表现为与低频1/f 噪声类似的低频漂移。可经过消除体系中的相异结和/或消除热梯度来防止热电电压。虽然消除相异金属结简直不行能——IC封装、PCB电路、布线和衔接器中存在多种不同的金属——但使一切衔接均坚持整齐，消除氧化物，这种办法能够有用地削减热电电压。屏蔽电路使其不受气流影响，是一种有用的热电电压安稳办法，并且具有电屏蔽的增值效果。图7展现了开放式电路与封闭式电路在电压漂移上的差异。

为了消除热电电压，可在电路中添加补偿结，但有必要进行很多的实验和重复测验，以确保刺进结配对正确、方位无误。到现在，最高效的办法是削减信号途径中的元件数，安稳部分温度和环境温度，然后削减电路中的结。

物理应力

高精模仿半导体器材对其封装接受的应力十分灵敏。封装中的应力消除填充物具有必定的效果，但无法补偿因PCB变形等部分应力源在封装上直接发生的压力带来的较大应力。印刷电路板越大，封装或许接受的应力越大，因而即便在小型电路板上也应装置灵敏电路——经过柔性或非刚性衔接器与大体系相连。假如有必要运用较大电路板，则应在灵敏元件周围，在元件双面或（最好）三面割些应力消除切断，可极大地削减因电路板曲折给元件带来的应力。

长时刻安稳性

在考虑噪声和温度漂移的基础上，还需考虑长时刻安稳性。精细模仿IC虽然十分安稳，但的确会发生长时刻老化改变。AD5791在125°C的长时刻安稳性一般好于0.1 ppm/1000 小时。虽然老化不具累积性质，但遵从平方根规矩（若某个器材的老化速度为1 ppm/1000 小时，为2 ppm/2000 小时，为3 ppm/3000 小时等等）。一般地，温度每下降25°C，时刻就会延伸10倍；因而，当作业温度为85°C时，在10000小时的期间（约60星期），估计老化为0.1 ppm。以此外推，在10年期间，估计老化为0.32 ppm。便是说，当作业温度为85°C时，在10年期间，数据手册直流标准或许漂移0.32 ppm。

电路构建和布局

在重视精度的电路中，精心考虑电源和接地回路布局有助于确保到达额外功用。在规划PCB时，应选用模仿部分与数字部分相别离的规划，并约束在电路板的不同区域内。假如DAC地址体系中有多个器材要求模数接地衔接，则只能在一个点上进行衔接。星形接地址尽或许接近该器材。有必要选用足够大的10 μF电源旁路电容，与每个电源引脚上的0.1 μF电容并联，并且尽或许接近封装，最好是正对着该器材。10 μF电容应为钽珠型电容。0.1 μF电容有必要具有低有用串联电阻(ESR)和低有用串联电感(ESL)，如高频时供给低阻抗接地途径的一般多层陶瓷型电容，以便处理内部逻辑开关所引起的瞬态电流。各电源线路上若串联一个铁氧体磁珠，则可进一步防止高频噪声经过器材。

电源走线有必要尽或许宽，以供给低阻抗途径，并减小电源线路上的毛刺效应。使用数字地将快速开关信号（如时钟）屏蔽起来，以防止向电路板上的其他器材辐射噪声，并且不得接近基准输入，也不得置于封装之下。基准输入上的噪声有必要降至最低，由于这种噪声会被耦合至DAC输出。防止数字信号与模仿信号穿插，电路板相反两边上的走线应互相笔直，以减小电路板的馈通效应。

基准电压源

坚持整个电路功用的是外部基准电压源，其噪声和温度系数直接影响体系的肯定精度。为了充分发挥1 ppm AD5791数模转换器的功用，基准元件和相关元件应具有与DAC平起平坐的温度漂移和噪声标准。虽然离温度漂移为0.05 ppm/°C的基准电压源仍相去甚远，但0.1 Hz 至10 Hz规模噪声低于1 μV p-p的1 ppm/°C和2 ppm/°C基准电压源的确存在。

定论

跟着精细仪器仪表以及测验和计量运用对精度的要求不断进步，人们正在开发精度更高的元件，以满意这些需求。此类器材具有1 ppm级精度标准，用户无需进一步校准，并且简略易用。但是，在规划这一精度等级的电路时，有必要考虑多种实际环境要素和规划相关要素。精细电路功用的成功与否取决于对这些要素的考虑和了解是否到位，取决于挑选正确的元件。

参阅电路

(有关悉数ADI元件的详细信息，请拜访 www.analog.com.)

1. “The Long Term Stability of Precision Analog ICs, or How to Age Gracefully and Avoid Sudden Death.” Analog Devices. Rarely Asked Questions.
   http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/2016/03/09/14/49/raq-issue-15.html.
2. Low Level Measurements Handbook. 6th Edition. Keithley. 2004.
   http://www.tek.com/document/primer/low-level-measurements-handbook-precision-dc-current-voltage-and-resistance-measurem.
3. MT-031, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of “AGND” and “DGND.”
   http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-031.pdf.

附录

图8所示为一种典型的现代1 ppm DAC解决方案的功用框图。电路中心由两个16 位数模转换器构成——一个主DAC和一个辅佐DAC——其输出经缩放和组合后发生更高的分辨率。主DAC输出与经衰减的辅佐DAC输出相加，使辅佐DAC添补主DAC LSB步长之间的分辨率空隙。

组合后的DAC输出需求为单调性，但线性度无需极高，由于高功用是经过精细模数转换器的稳定电压反应获得的，该转换器校对固有的元件差错；电路精度受ADC的约束而不受限于DAC。但是，由于稳定电压反应的要求以及不行防止的环路推迟，这种解决方案速度较慢，树立时刻达数秒。

虽然这种电路能够并且经尽力能够获得1 ppm的精度，但规划难度较大，很或许需求重复规划屡次，并且需求经过软件引擎和精细ADC来完成方针精度。为了确保1 ppm的精度，ADC还需进行校准，由于现在商场上还没有确保1 ppm线性度的ADC。图8所示简图仅仅概念的展现，实在的电路要杂乱得多，触及多个增益、衰减和求和级，包含多个元件。一起还需求杂乱的数字电路，以便利DAC与ADC之间的接口，更不用说用于差错校对的软件了。