CN0191: 20位、线性、低噪声、精密、双极性±10V直流电压源

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概览

电路笔记PDF, 03/2011 (pdf, 369 kB)
下载英文版PDF, 03/2011 (pdf,  178kB)
优势和特点
  • +/-10 V工业电平信号输出
  • 高精度20位精度
  • INL和DNL为+/-1 LSB
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
  • 电子测试和测量
设计资源
设计和集成文件
  • Schematic
  • Bill of Materials
  • Gerber Files
  • PADS Files
  • Assembly Drawing
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评估硬件
Part numbers with "Z" indicate RoHS Compliance.
评估此款电路所需的评估板
  • EVAL-AD5791SDZ ($ 159.00) 20-Bit, Linear, Low Noise,Precision, Bipolar ±10V DC Voltage Source
  • EVAL-SDP-CB1Z ($ 99.00) Eval Control Board
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设备驱动
Software, such as C code and/or FPGA code, used to communicate with a component's digital interface.
FPGA HDL
连接支持
This circuit supports 3rd party connectivity.

电路功能与优势

图1所示电路提供20位可编程电压,其输出范围为−10 V至+10 V ,同时积分非线性为±1 LSB、微分非线性为±1LSB,并且具有低噪声特性。

该电路的数字输入采用串行输入,并与标准SPI、QSPI™、MICROWIRE®和DSP接口标准兼容。对于高精度应用,通过结合使用AD5791AD8675AD8676等精密器件,该电路可以提供高精度和低噪声性能。

基准电压缓冲对于设计至关重要,因为DAC基准输入的输入阻抗与码高度相关,如果DAC基准电压源未经充分缓冲,将导致线性误差。AD8676开环增益高达120 dB,已经过验证和测试,符合本电路应用关于建立时间、失调电压和低阻抗驱动能力的要求。而AD5791经过表征和工厂校准,可使用双通道运算放大器AD8676对其基准电压输入进行缓冲,从而进一步增强配套器件的可靠性。

这一器件组合可以提供业界领先的20位分辨率、±1 LSB积分非线性(INL)和±1 LSB微分非线性(DNL),可以确保单调性,并且具有低功耗、小尺寸PCB和高性价比等特性。

图1. 20位精密、±10 V电压源(原理示意图:未显示去耦和所有连接)

电路描述

图1所示数模转换器(DAC)为AD5791,这是一种具有SPI接口的20位高压转换器,提供±1 LSB INL、±1 LSB DNL性能和7.5 nV/√Hz噪声频谱密度。另外,,AD5791还具有极低的温漂 (0.05 ppm/°C)特性。AD5791采用的精密架构要求强制检测缓冲其基准电压输入,从而确保达到规定的线性度。选择用于缓冲基准输入的放大器(B1和B2)应具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性。针对此功能推荐用AD8676放大器,这是一种超精密、36 V、2.8 nV/√Hz双通道运算放大器,具有0.6 μV/°C低失调漂移和2 nA输入偏置电流。此外,AD5791经过表征和工厂校准,可使用该双通道运算放大器来缓冲其电压基准输入,从而进一步增强配套器件的可靠性。

图1显示AD5791配置有独立的正和负基准电压,因此输出电压范围是从负基准电压到正基准电压,本例中为−10 V到+10 V。输出缓冲器为AD8675,它是AD8676的单通道版本,具有低噪声和低漂移特性。同时使用放大器AD8676(A1和A2),将+5 V基准电压放大为+10 V和−10 V。这些放大电路中的R2、R3、R4和R5是精密金属薄膜电阻,容差为0.01%,温度系数为0.6 ppm/°C。为实现整个温度范围内的最佳性能,可以使用Vishay 300144或VSR144系列等电阻网络。所选电阻值较低(1 kΩ和2 kΩ),以便将系统噪声保持在较低水平。R1和C1构成低通滤波器,截止频率大约为10 Hz。该滤波器用于衰减基准电压源噪声。

线性度测量
下列数据进一步证明了图1所示电路的精密性能。图2和图3显示积分非线性和微分非线性与DAC码的函数关系。从图中可以明显看出,这两种特性分别位于±1 LSB和±1 LSB的规格范围内。

该电路的总非调整误差由各种直流误差共同组成,即INL误差、零电平误差和满量程误差。图4所示为总非调整误差与DAC码的关系图。最大误差出现在DAC码为0(零电平误差)和1,048,575(满量程误差)处。这与预期相符,是由电阻对R2和R3、R4和R5的不匹配以及放大器A1、A2、B1和B2的失调误差(见图1)引起的。

本例中,电阻对的额定不匹配最大值为0.02%(典型值远低于此)。放大器失调误差为75 μV(最大值)或满量程范围的0.000375%,相对于电阻不匹配所导致的误差可忽略不计。因此,预期的满量程和零电平误差最大值约为0.02%或210 LSB。图4显示实测满量程误差为1 LSB,实测零电平误差为4 LSB或满量程范围的0.0003%,表明所有器件的性能都明显优于其额定最大容差。

图2. 积分非线性与DAC码的关系
图3. 微分非线性与DAC码的关系
图4. 总非调整误差与DAC码的关系

噪声测量
要实现高精度,电路输出端的峰峰值噪声必须维持在1 LSB以下,对于20位分辨率和20 V峰峰值电压范围则为19.07 μV。图5所示为10秒内在0.1 Hz至10 Hz带宽内测得的峰峰值噪声。三种条件下的峰峰值分别为1.48 μV(中间电平输出)、4.66 μV(满量程输出)和5.45 μV(零电平输出)。中间电平输出的噪声最低,此时噪声仅来自DAC内核。选择中间电平码时,DAC会衰减各基准电压路径的噪声贡献。

图5. 电压噪声(0.1 Hz至10 Hz带宽)

不过,实际应用中不会在0.1 Hz处有高通截止频率来衰减1/f噪声,但会在其通带中包含低至DC的频率;因此,测得的峰峰值噪声更为实际,如图6所示。本例中,电路输出端的噪声是100秒内测得的,测量充分涵盖低至0.01Hz的频率。截止频率上限大约为14 Hz并受限于测量设置。对于图6所示的三种条件,对应峰峰值分别为4.07 μV(中间电平输出)、11.85 μV(满量程输出)和15.37 μV(零电平输出)。最差情况下的峰峰值 (15.37 μV)大致相当于0.8 LSB。

图6. 100秒内测得的电压噪声

随着测量时间变长,将包括较低频率,而峰峰值将变大。频率较低时,温度漂移和热电偶效应会变成误差源。通过选择AD5791、AD8675和AD8676等热系数较低的器件,并仔细考虑电路结构,可以将这些效应降至最低,请参阅“了解更多信息”部分中的链接文档。

常见变化

AD5791支持各种不同的输出范围,从0 V至+5 V、最高±10 V以及该范围内的任意值。根据需要,图1所示的配置可以用来产生对称或非对称范围。基准电压分别加在VREFP和VREFN,输出缓冲器应按照AD5791数据手册所述配置为单位增益,将AD5791内部控制寄存器的RBUF位设置为逻辑1。

AD5791还提供增益为2的工作模式,可以从一个正基准电压产生对称的双极性输出范围,如AD5791数据手册所述,从而无需产生负基准电压。然而,这种模式会引起较大的满量程和零电平误差。将AD5791内部控制寄存器的RBUF位设为逻辑0,便可选择这种模式。

电路评估与测试

图1所示电路在经过修改的AD5791评估板上构建。有关AD5791评估板和测试方法的详细信息,参见评估板用户指南 UG-185

此电路中所用产品:

产品 描述 可提供样片的产品型号
AD5791 1ppm、20位、±1 LSB INL、电压输出DAC AD5791ARUZ
AD8675 36 V、精密、2.8 nV/√Hz轨到轨输出运算放大器 AD8675ARMZ AD8675ARZ
AD8676 超高精度、36 V、2.8 nV/√Hz双路RRO运算放大器 AD8676ARMZ AD8676ARZ AD8676BRMZ
评估硬件
评估此款电路所需的评估板
产品型号 描述 报价 RoHS 查看库存/
购买/样片
EVAL-AD5791SDZ 20-Bit, Linear, Low Noise,Precision, Bipolar ±10V DC Voltage Source $ 159.00 Yes
EVAL-SDP-CB1Z Eval Control Board $ 99.00 Yes
所示报价为单片价格。所列的美国报价单仅供预算参考,指美元报价(每片美国离岸价),如有修改,恕不另行通知。由于地区关税、商业税、汇率及手续费原因,国际报价可能不同。
沪ICP备09046653号
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