【導(dǎo)讀】本文介紹了一種用于實(shí)現(xiàn)超高精度電壓源的電路。這種電路將兩個(gè)20位DAC并聯(lián)，構(gòu)建出一個(gè)具有±1 LSB精度（或0.5 ppm）的21位DAC。此外，完整的解決方案還需要配備與DAC性能相匹配的精密運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源。本文展示了在選擇組件以實(shí)現(xiàn)超高精度時(shí)的完整問(wèn)題解決思路。由于在處理21位DAC時(shí)，熱效應(yīng)和電磁干擾可能會(huì)導(dǎo)致精度問(wèn)題，因此這兩個(gè)因素也在考慮范圍之內(nèi)。
引言
如今，先進(jìn)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的最高分辨率為20位。對(duì)于一些需要更高精度的應(yīng)用，如醫(yī)療成像或質(zhì)譜測(cè)定等，這是一個(gè)限制因素。在受控環(huán)境中將高性能元件組合到一起，可以克服這一限制。換言之，整體解決方案所能實(shí)現(xiàn)的精度，取決于電路中各元件所構(gòu)成的信號(hào)鏈，以及這些元件在電路板上的布局。
本文所示的電路展示了如何組合高性能元件才能保持各個(gè)元件的精度，以實(shí)現(xiàn)高精度電壓源。此電路將AD5791與LTZ1000及AD8675/AD8676搭配使用，在21位精度下實(shí)現(xiàn)1 LSB INL。這一精度能令眾多應(yīng)用領(lǐng)域受益。例如，使用這種高精度電壓源的醫(yī)療設(shè)備能夠生成小型解剖結(jié)構(gòu)的清晰圖像。此外，這種電路還可以用于制造更準(zhǔn)確的測(cè)試測(cè)量設(shè)備，從而有助于生產(chǎn)出準(zhǔn)確度更高的工業(yè)產(chǎn)品。這種超高精度電壓源的應(yīng)用范圍十分廣泛，能夠突破現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)品的精度瓶頸，為新產(chǎn)品研發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
需要21位1 LSB或0.5 ppm INL精度的應(yīng)用包括：科研、醫(yī)療和航空航天儀器儀表
醫(yī)療成像系統(tǒng)
激光定位器
振動(dòng)系統(tǒng)
測(cè)試與測(cè)量
自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)
質(zhì)譜測(cè)定
源表(SMU)
數(shù)據(jù)采集/分析儀
工業(yè)自動(dòng)化
半導(dǎo)體制造
過(guò)程自動(dòng)化
電源控制
高級(jí)機(jī)器人
在測(cè)試與測(cè)量系統(tǒng)中，AD5791具備的0.5 ppm分辨率和精度能夠提升整體設(shè)備的準(zhǔn)確性與精細(xì)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部信號(hào)源和納米執(zhí)行器更精細(xì)的控制與激勵(lì)。在工業(yè)自動(dòng)化中，0.5 ppm分辨率和精度可提供執(zhí)行器移動(dòng)、轉(zhuǎn)向或定位所需的納米級(jí)精度水平。
AD5791是一款單通道、20位、雙極性輸出、無(wú)緩沖的電壓輸出DAC。它實(shí)現(xiàn)了±1 LSB的相對(duì)精度指標(biāo)(INL)，并且能在±1 LSB微分非線性(DNL)條件下保持單調(diào)工作。其他重要參數(shù)包括：0.05 ppm/°C的溫度漂移、0.1 ppm的峰峰值噪聲，以及優(yōu)于1 ppm的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這款I(lǐng)C的內(nèi)部架構(gòu)是一個(gè)采用薄膜電阻匹配技術(shù)制成的R-2R數(shù)模轉(zhuǎn)換器。該器件采用最高33 V的雙極性電源供電，可由+5 V至VDD–2.5 V的正基準(zhǔn)電壓和VSS 2.5 V至0 V的負(fù)基準(zhǔn)電壓驅(qū)動(dòng)。它配備多功能3線串行接口，工作時(shí)鐘速率最高可達(dá)35 MHz，兼容標(biāo)準(zhǔn)SPI、QSPI?、MICROWIRE?和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)。
LTZ1000是一款超穩(wěn)定的溫度可控基準(zhǔn)電壓源，提供7.2 V輸出，具有出色的1.2 μV p-p噪聲、2 μV/√kHr長(zhǎng)期穩(wěn)定性和0.05 ppm/℃溫度漂移。該器件內(nèi)置深埋型齊納二極管基準(zhǔn)電壓源、用于提高溫度穩(wěn)定性的加熱電阻，以及溫度檢測(cè)電阻。外部元件用于設(shè)置工作電流和溫度，以使基準(zhǔn)電壓源穩(wěn)定，從而提供最大的靈活性，并確保最佳的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和噪聲性能。這款經(jīng)過(guò)溫度穩(wěn)定處理的基準(zhǔn)電壓源，幾乎不受外部溫度變化的影響。
對(duì)于運(yùn)算放大器而言，需要的是具有低失調(diào)、低噪聲和低漂移特性的運(yùn)算放大器。之所以選擇AD8675/AD8676運(yùn)算放大器，是因?yàn)樗鼈兙邆渚珳?zhǔn)的軌到軌能力，其特點(diǎn)包括：超低的12 μV的失調(diào)電壓、0.6 μV/°C的漂移、在 1 kHz頻率下2.8 nV/√Hz的電壓噪聲，以及在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)僅 2 nA的輸入偏置電流。
基于電阻分壓器原理，可利用20位DAC實(shí)現(xiàn)21位DAC功能。AD5791的輸出阻抗為 3.4 kΩ。當(dāng)兩個(gè)此類(lèi)IC的輸出端連接在一起時(shí)，等效電路就變成了一個(gè)電阻分壓器。當(dāng)兩個(gè)DAC之間的代碼差值為一個(gè)LSB時(shí)，DAC電阻分壓器的輸出電壓將是該電壓差值的一半，相當(dāng)于半個(gè)LSB。換句話說(shuō)，通過(guò)將兩個(gè)20位DAC的輸出端并聯(lián)，這種配置能夠得到一個(gè)等效的21位DAC。互連圖如圖1所示。將基準(zhǔn)電壓VREP和VREFN分別設(shè)置為+10 V和-10 V，則VOUT的輸出電壓范圍就可以編程為該電壓范圍內(nèi)的任意電壓值。
在本文所展示的測(cè)量過(guò)程中，使用的硬件連接了兩塊現(xiàn)成的AD5791評(píng)估板（訂購(gòu)信息為EVAL-AD5791）。這兩塊評(píng)估板共用同一個(gè)基準(zhǔn)電壓源，即LTZ1000模塊，該模塊僅安裝在其中一塊評(píng)估板上。兩塊評(píng)估板之間的基準(zhǔn)電壓連接是通過(guò)三根雙絞線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此外，還使用了一根額外的導(dǎo)線來(lái)連接兩個(gè)DAC的輸出端。本文所展示的性能還可以得到進(jìn)一步提升，方法是將兩個(gè)AD5791 DAC安裝在同一塊電路板上，并利用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的PCB走線來(lái)確保各組件之間的短距離連接。
圖1.兩個(gè)ADC5791 DAC的輸出連接。
在線性度數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，低頻段（低于1 MHz）的外部輻射噪聲對(duì)結(jié)果產(chǎn)生了影響。這種噪聲主要是因?yàn)橛糜跍y(cè)試的評(píng)估板距離電源及附近其他儀器較近。為了降低這種噪聲的影響，所有硬件都被放置在一個(gè)能夠阻擋電磁場(chǎng)(EMF)的屏蔽箱內(nèi)，從而有效地使被測(cè)硬件免受外部輻射噪聲的干擾。使用的屏蔽箱如圖2所示。
圖2.測(cè)試中所用的EMF屏蔽箱。
環(huán)境溫度波動(dòng)是影響測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素之一。若基準(zhǔn)電壓源無(wú)法在恒溫條件下工作，其輸出穩(wěn)定性將大打折扣。而LTZ1000有效解決了這一問(wèn)題。該基準(zhǔn)電壓源內(nèi)部集成了一個(gè)電阻，通過(guò)搭配外部元件并利用反饋回路，能夠精確調(diào)節(jié)芯片溫度。器件內(nèi)部溫度始終保持恒定，有效避免了外部環(huán)境溫度波動(dòng)對(duì)電壓輸出穩(wěn)定性造成干擾。
電源等有源元件，可能會(huì)導(dǎo)致電源軌的輸出電壓發(fā)生變化，進(jìn)而影響DAC的輸出電壓。電源電壓變化對(duì)輸出電壓的影響體現(xiàn)在DAC的DCPSRR規(guī)格中。用于基準(zhǔn)電壓和輸出緩沖的運(yùn)算放大器也表現(xiàn)出溫度相關(guān)性。
對(duì)于高精度應(yīng)用而言，電阻選型需格外謹(jǐn)慎。選擇具有低溫漂的電阻十分重要，理想情況下其溫漂應(yīng)在0.01%左右。并且，在可能的情況下，應(yīng)使系統(tǒng)在恒定溫度下運(yùn)行，以盡量減小電阻的變化。
由于溫漂，基準(zhǔn)電壓IC的外部溫度變化會(huì)導(dǎo)致輸出電壓成比例地波動(dòng)。這些波動(dòng)對(duì)積分非線性(INL)的影響如圖3所示。該INL圖是在室溫下使用ADR445基準(zhǔn)電壓源且未使用電磁場(chǎng)屏蔽箱的情況下得到的。在用于測(cè)試的電路板上，包含了典型溫漂為3 ppm/K的電阻。在INL中觀察到的跳躍現(xiàn)象，歸因于室內(nèi)溫度的變化，比如室內(nèi)人數(shù)的變動(dòng)或空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行。測(cè)量過(guò)程持續(xù)了大約24小時(shí)。
圖3.使用ADR445基準(zhǔn)電壓的INL圖。
為了在測(cè)試過(guò)程中盡量減少溫度變化，可以采用一些方法，比如使用溫度控制設(shè)備，確保在整個(gè)測(cè)試期間溫度保持穩(wěn)定。為了保持測(cè)試的簡(jiǎn)便性，在測(cè)試期間，之前用于使評(píng)估板免受外部輻射電磁噪聲干擾的電磁場(chǎng)屏蔽箱，也被用來(lái)維持相對(duì)穩(wěn)定的溫度。經(jīng)計(jì)算，評(píng)估板的功耗低于0.5 W，這使得在整個(gè)測(cè)試期間，EMF屏蔽箱內(nèi)部的溫度范圍保持在25°C至30°C之間。
在明確了所有可能影響信號(hào)鏈DAC輸出電壓的因素后，下一步便是對(duì)兩個(gè)DAC進(jìn)行編程，以有效實(shí)現(xiàn)21位DAC的功能。從數(shù)字層面來(lái)看，在處理給定的21位代碼時(shí)，需要將該DAC代碼拆分為兩部分。若原始代碼為偶數(shù)，那么做除法運(yùn)算后的余數(shù)為零。若原始的21位代碼為奇數(shù)，那么做除法運(yùn)算后的余數(shù)為1。這種情況下，應(yīng)對(duì)其中一個(gè)DAC按照除法運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行編程，而另一個(gè)DAC則按照拆分后的代碼加1進(jìn)行編程。表1顯示了一個(gè)示例。
表1.獲取21位代碼示例
通過(guò)細(xì)分AD5791的LSB大小，這一概念還可以進(jìn)一步拓展。例如，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)22位DAC，需將四個(gè)DAC的輸出端并聯(lián)起來(lái)。從性能方面考慮，主要的關(guān)注點(diǎn)在于噪聲問(wèn)題，尤其是在20 V的電壓范圍下，其LSB大小僅為4.77 μV。本文尚未在這一水平上進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。為了評(píng)估這種電路，有必要制作一塊專(zhuān)門(mén)安裝有四個(gè)DAC的電路板。
結(jié)果
圖4展示了為實(shí)現(xiàn)21位INL精度而連接的兩個(gè)AD5791 DAC的INL性能。結(jié)果表明，INL低于±1 LSB，這也是本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。這些結(jié)果是在受控的溫度條件下獲得的，整個(gè)裝置都被置于一個(gè)EMF屏蔽箱內(nèi)。
圖4.21位INL圖。
圖5展示了21位配置下的DNL，證明了其單調(diào)性。DNL結(jié)果呈現(xiàn)出離散數(shù)字的有效DNL代碼?？紤]到21位配置的LSB大小僅為9.53 μV，這種情況可歸因于所使用的數(shù)字電壓表(DVM)的局限性。
圖5.21位DNL圖。
這些結(jié)果是通過(guò)使用3458A數(shù)字電壓表、八位半電壓表以及一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室電源得出的。電壓測(cè)量的時(shí)間窗口設(shè)定為20 ms，這與測(cè)量所在地歐洲的市電50 Hz頻率相對(duì)應(yīng)。
結(jié)論
將兩個(gè)AD5791型20位DAC組合起來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)具有1 LSB INL的21位DAC性能。然而，重要的是要關(guān)注整個(gè)信號(hào)鏈，從而盡量減少精度誤差。此外，諸如溫度和電磁干擾等外部因素也會(huì)影響系統(tǒng)的輸出。
對(duì)于后續(xù)工作，建議在印刷電路板(PCB)上搭建這種電路，以增強(qiáng)信號(hào)完整性，并將外部噪聲耦合降至最低。除了進(jìn)行INL和DNL測(cè)量之外，還建議測(cè)量諸如噪聲系數(shù)等其他參數(shù)，以便更全面地剖析系統(tǒng)性能特性。為便于開(kāi)展這些工作，建議使用一塊新的專(zhuān)用PCB。
作者簡(jiǎn)介
Justo Lapiedra是一名應(yīng)用工程師，在半導(dǎo)體行業(yè)擁有超過(guò)20年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。他畢業(yè)于瓦倫西亞大學(xué)，獲得了物理學(xué)學(xué)位。目前，Justo就職于精密轉(zhuǎn)換器部門(mén)，專(zhuān)注于數(shù)模轉(zhuǎn)換器方面的工作。他在西班牙瓦倫西亞的ADI辦事處工作。
