CN0079: 利用16位电压输出DAC AD5542/AD5541、基准电压源ADR421和自稳零运算放大器AD8628实现高精度数模转换

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概览

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优势和特点
  • 精密数模转换
  • 自稳零型运算放大器降低了16位DAC的数字开关噪声
此电路中所用产品
    应用: 
  • 可编程逻辑控制和分布式控制系统

电路功能与优势

本电路利用电压输出DACAD5542 、基准电压源ADR421BRZ以及用作基准电压缓冲的自稳零运算放大器AD8628 ,可实现精密数据转换。AD8628基准电压缓冲可提供以前只有昂贵的自稳零或斩波稳定放大器才具有的特性优势。这些零漂移放大器采用ADI公司的电路拓扑结构,将低成本与高精度、低噪声特性融于一体。无需外部电容,而且与大多数斩波稳定放大器相关的数字开关噪声大大降低,因此这种放大器是基准电压缓冲的最佳选择。

本电路可实现精密、低功耗、电压输出数模转换。AD5542有两种工作模式:缓冲模式和非缓冲模式。何种工作模式最佳由具体应用及其建立时间、输入阻抗、噪声等要求而定。可以根据直流精度或快速建立时间要求来选择输出缓冲放大器。如果要求DAC驱动60 kΩ以下的负载,则需要输出缓冲。DAC的输出阻抗恒定,且与数字码无关,但为了将增益误差降至最小,输出放大器的输入阻抗应尽可能高。输出放大器还应具有1 MHz或更高的3 dB带宽。输出放大器给系统增加了另一个时间常数,因此会延长最终输出的建立时间。

放大器的3 dB带宽越高,则DAC与放大器组合的有效建立时间越快。电路中的所有器件均可采用+5 V单电源供电。基准电压源ADR421的输入电压范围为4.5 V至18 V。

图1:精密DAC配置(原理示意图)

电路描述

本电路采用电压输出DAC AD5542,提供16位、高精度性能。AD5541
Formula 1

其中D为载入DAC寄存器的十进制数字字,N为DAC的分辨率。

对于2.5 V基准电压,上述公式可简化为下式:

Formula 1

因此,中间电平码对应的VOUT 为1.25 V,满量程码对应的VOUT为2.5 V。

LSB大小为2.5 V/65,536 = 38.1 μV。

有一个普遍的误解认为自稳零放大器不可靠,因为内部开关动作会导致交调项,并使不需要的谐波未经滤除便进入到输出。以前的自稳零放大器采用自稳零或斩波稳定技术,传统的自稳零技术使自稳零频率时的噪声能量较低,但由于自稳零频带中混叠宽带噪声,因此会造成低频噪声较高。斩波技术使低频噪声较低,但斩波频率时的噪声能量较大。AD8628系列采用已获专利的乒乓式配置,同时使用自稳零和斩波技术,可在斩波和自稳零频率获得较低的低频噪声以及较低的能量,从而使大部分应用的信噪比达到最高,且不需要额外滤波。内部斩波频率相对较高(15 kHz),因此在仪器仪表和过程控制应用中,可简化对滤波器的有效、无噪声、宽带宽要求。

测量结果显示:在高精度、高性能系统中将AD8628用作基准电压缓冲,可以实现高精度、低噪声以及最低高频交调失真(折合到输出端)性能。

积分非线性(INL)误差指实际DAC传递函数与理想传递函数的偏差,用LSB表示。差分非线性(DNL)误差指实际步进大小与1 LSB的理想值之间的差异。图1所示电路在16位分辨率时的INL误差为±1 LSB,DNL误差为±1 LSB。图2和图3显示了该电路的INL和DNL性能。

图2:积分非线性误差与输入码的关系
图3:差分非线性误差与输入码的关系

测得的失调误差和增益误差分别为10 μV和170 μV。±5 LSB的增益误差和±1 LSB的零码误差均在38 μV额定误差范围(2.5 V基准电压、环境温度)内。

图4显示该电路的0.1 Hz至10 Hz噪声图。DAC的输出VOUT与0.1 Hz至10 Hz带宽滤波器的输入端相连,滤波器之后接一个放大器,其增益为10,000。用一个示波器捕捉电压噪声,观察到非常低的峰峰值电压57 mV(相对于DAC输出为5.7 μV)。

图4:0.1 Hz至10 Hz输出噪声图;满量程码载入DAC(1/f噪声 = 57 mV/10,000 = 5.7 μV)

图5显示利用频谱分析仪得到的DAC输出,扫频范围为100 Hz至100 kHz。没有观察到明显的交调失真(IMD)项,表明将AD8628等自稳零放大器用作基准电压缓冲是极佳选择。

图5:DAC输出频谱密度图(dB折合到满量程)

在任何注重精度的电路中,精心考虑电源和电路板上的接地回路布局有助于达成目标。包含该电路的印刷电路板(PCB)应具有单独的模拟和数字部分。如果该电路所在系统中有其它器件要求AGND至DGND连接,则只能在一个点上进行连接。该接地点应尽可能靠近AD5542。AD5542的电源应使用10 μF和0.1 μF电容进行旁路。这些电容应尽可能靠近该器件,0.1 μF电容最好正对着该器件。10 μF电容为钽珠型电容。0.1 μF电容必须具有低有效串联电阻(ESR)和低有效串联电感(ESL),普通陶瓷型电容通常具有这些特性。针对内部逻辑开关引起的瞬态电流所导致的高频,该0.1 μF电容可提供低阻抗接地路径。电源走线应尽可能宽,以提供低阻抗路径,并减小电源线路上的突波效应。时钟和其它快速开关数字信号应通过数字地屏蔽起来,使之不受电路板的其它器件影响。

本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能,必须采用适当的布局、接地和去耦技术(请参考教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的迷团”,以及 教程MT-101——“去耦技术”)。

常见变化

AD8538是另一款适合在该电路中缓冲基准电压的优秀自稳零运算放大器,它具有低失调电压和超低偏置电流特性。2.5 V输出ADR421可以用ADR423ADR434代替,二者均为低噪声基准电压源,与ADR421同属一个基准电压源系列,分别提供3 V和4.096 V输出。超低噪声基准电压源 ADR441ADR431也是合适的替代器件,提供2.5 V输出。请注意,基准输入电压的大小受所选运算放大器的轨到轨输出电压能力限制。

本电路没有使用输出缓冲,因为根据系统带宽和应用需要,输出缓冲性能可以针对速度或直流精度进行优化。AD5661将是出色的输出缓冲选择。这是一款单电源、5 V至16 V放大器,采用ADI公司的DigiTrim™专利技术实现低失调电压,可提供低输入偏置电流和宽信号带宽。AD8605AD8655 也是不错的选择。

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD5541 2.7 V至5.5 V、串行输入、电压输出、16位DAC AD5541BRZ AD5541ARZ AD5541LRZ AD5541CRZ
AD5542 2.7 V至5.5 V、串行输入、电压输出、16位DAC AD5542JRZ AD5542ARZ AD5542BRZ AD5542LRZ AD5542CRZ
AD8628 零漂移、单电源RRIO运算放大器 AD8628ARZ AD8628ARTZ-REEL7 AD8628AUJZ-REEL7
ADR421 超精密、低噪声、2.500 V XFET®基准电压源 ADR421ARZ
沪ICP备09046653号
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