如何在設計21位元精密電壓源時實現超高精度

摘要

本文介紹了一種用於實現超高精度電壓源的電路。這種電路將兩個20位元DAC並聯以建構出一個具有±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性能相符的精密運算放大器和基準電壓源。本文展示了在選擇零組件以實現超高精度時的完整問題解決思路。由於在處理21位元DAC時，熱效應和電磁干擾可能會導致精度問題，因此這兩個因素也在考慮範圍之內。

引言

如今，先進的數位類比轉換器(DAC)的最高分辨率為20位元。對於一些需要更高精度的應用，如醫療成像或質譜測定等，這是一個限制因素。在受控環境中將高性能元件組合到一起，可以克服此一限制。換言之，整體解決方案所能實現的精度，取決於電路中各元件所構成的訊號鏈，以及這些元件在電路板上的佈局。

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元件的精度，以實現高精度電壓源。此電路將AD5791與 LTZ1000及AD8675/AD8676搭配使用，在21位元精度下實現1 LSB INL。此一精度能令眾多應用領域受益。例如，使用這種高精度電壓源的醫療設備能夠生成小型解剖結構的清晰圖像。此外，這種電路還可以用於製造更準確的測試測量設備，進而有助於生產出準確度更高的工業產品。這種超高精度電壓源的應用範圍十分廣泛，能夠突破現有半導體產品的精度瓶頸，為新產品研發提供關鍵技術支撐。

需要21位元1 LSB或0.5 ppm INL精度的應用包括：

• 科研、醫療和航空航太儀器儀表
• 醫療成像系統
• 雷射定位器
• 振動系統
• 測試與測量
• 自動化測試設備(ATE)
• 質譜測定
• 源表(SMU)
• 資料擷取/分析儀
• 工業自動化
• 半導體製造
• 製程自動化
• 電源控制
• 先進機器人

在測試與量測系統中，AD5791具備的0.5 ppm解析度和精度能夠提升整體設備的準確性與精細度，進而實現對外部訊號源和奈米執行器更精細的控制與激勵。在工業自動化中，0.5 ppm解析度和精度可提供執行器移動、轉向或定位所需的奈米級精度水平。

AD5791是一款單通道、20位元、雙極性輸出、無緩衝的電壓輸出DAC。其實現了±1 LSB的相對精度指標(INL)，並且能在±1 LSB微分非線性(DNL)條件下保持單調工作。其他重要參數包括：0.05 ppm/°C的溫度漂移、0.1 ppm的峰對峰值雜訊，以及優於1 ppm的長期穩定性。此款IC的內部架構是一個採用薄膜電阻符合技術製成的R-2R數位類比轉換器。該元件採用最高33 V的雙極性電源供電，可由+5 V至VDD–2.5 V的正基準電壓和VSS 2.5 V至0 V的負基準電壓驅動。其配備多功能3線序列介面，工作時脈速率最高可達35 MHz，兼容標準SPI、QSPI^™、MICROWIRE^™和DSP介面標準。

LTZ1000是一款超穩定的溫度可控基準電壓源，提供7.2 V輸出，具有卓越的1.2 µV p-p雜訊、2 μV/√kHr長期穩定性和0.05 ppm/℃溫度漂移。該元件內建深埋型齊納二極管基準電壓源、用於提高溫度穩定性的加熱電阻，以及溫度檢測電阻。外部元件用於設定工作電流和溫度，以使基準電壓源穩定，進而提供最大的彈性，並確保最佳的長期穩定性和雜訊性能。此款經過溫度穩定處理的基準電壓源，幾乎不受外部溫度變化的影響。

對於運算放大器而言，需要的是具有低失調、低雜訊和低漂移特性的運算放大器。之所以選擇AD8675/AD8676運算放大器，是因為它們具備精準的軌對軌能力，其特點包括：超低的12 μV的失調電壓、0.6 μV/°C的漂移、在 1 kHz頻率下 2.8 nV/√Hz的電壓雜訊，以及在整個工作溫度範圍內僅 2 nA的輸入偏置電流。

基於電阻分壓器原理，可利用20位元DAC實現21位元DAC功能。AD5791的輸出阻抗為 3.4 kΩ。當兩個此類IC的輸出端連接在一起時，等效電路就變成了一個電阻分壓器。當兩個DAC之間的代碼差值為一個LSB時，DAC電阻分壓器的輸出電壓將是該電壓差值的一半，相當於半個LSB。換句話說，透過將兩個20位元DAC的輸出端並聯，這種配置能夠得到一個等效的21位元DAC。互連圖如圖1所示。將基準電壓V_REP和 V_REFN分別設定為+10 V和-10 V，則 V_OUT的輸出電壓範圍就可以編程為該電壓範圍內的任意電壓值。

在本文所展示的測量過程中，使用的硬體連接了兩塊現成的AD5791評估板（訂購資訊為EVAL-AD5791）。這兩塊評估板共用同一個基準電壓源，即LTZ1000模組，該模組僅安裝在其中一塊評估板上。兩塊評估板之間的基準電壓連接是透過三根雙絞線來實現的。此外並使用了一根額外的導線來連接兩個DAC的輸出端。本文所展示的性能並可以得到進一步提升，方法是將兩個AD5791 DAC安裝在同一塊電路板上，並利用經過優化的PCB走線來確保各組件之間的短距離連接。

在線性度資料擷取過程中，低頻段（低於1 MHz）的外部輻射雜訊對結果產生了影響。這種雜訊主要是因為用於測試的評估板距離電源及附近其他儀器較近。為了降低這種雜訊的影響，所有硬體都被放置在一個能夠阻擋電磁場(EMF)的外箱內，進而有效地使被測硬體免受外部輻射雜訊的干擾。使用的外箱如圖2所示。

• 環境溫度波動是影響測量準確性的關鍵因素之一。若基準電壓源無法在恆溫條件下工作，其輸出穩定性將大打折扣。而LTZ1000有效解決了此一問題。該基準電壓源內部整合了一個電阻，透過搭配外部元件並利用回饋迴路，能夠精準調節晶片溫度。元件內部溫度始終保持恆定，有效避免了外部環境溫度波動對電壓輸出穩定性造成干擾。
• 電源等主動元件，可能會導致電源軌的輸出電壓發生變化，進而影響DAC的輸出電壓。電源電壓變化對輸出電壓的影響體現在DAC的DCPSRR規格中。用於基準電壓和輸出緩衝的運算放大器也表現出溫度相關性。
• 對於高精度應用而言，電阻選型需格外謹慎。選擇具有低溫漂的電阻十分重要，理想情況下其溫漂應在0.01%左右。並且在可能的情況下，應使系統在恆定溫度下運行，以盡量減小電阻的變化。/li>

由於溫漂，基準電壓IC的外部溫度變化會導致輸出電壓成比例地波動。這些波動對積分非線性(INL)的影響如圖3所示。該INL圖是在室溫下使用ADR445基準電壓源且未使用電磁場外箱的情況下得到的。在用於測試的電路板上，包含了典型溫漂為3 ppm/K的電阻。在INL中觀察到的跳躍現象，歸因於室內溫度的變化，例如室內人數的變動或空調系統的循環運作。測量過程持續了大約24小時。

為了在測試過程中盡量減少溫度變化，可以採用一些方法，例如使用溫度控制設備，確保在整個測試期間溫度保持穩定。為了保持測試的簡便性，在測試期間，之前用於使評估板免受外部輻射電磁雜訊干擾的電磁場外箱，也被用來維持相對穩定的溫度。經計算，評估板的功耗低於0.5 W，這使得在整個測試期間，EMF外箱內部的溫度範圍保持在25°C至30°C之間。

在明確了所有可能影響訊號鏈DAC輸出電壓的因素後，下一步便是對兩個DAC進行編程，以有效實現21位元DAC的功能。從數位層面來看，在處理給定的21位元代碼時，需要將該DAC代碼拆分為兩部分。若原始代碼為偶數，那麼做除法運算後的餘數為零。若原始的21位元代碼為奇數，那麼做除法運算後的餘數為1。這種情況下，因應其中一個DAC按照除法運算的結果進行編程，而另一個DAC則依照拆分後的代碼加1進行編程。表1顯示了一個範例。

透過細分AD5791的LSB大小，此一概念還可以進一步拓展。例如，要實現一個22位元DAC，需將四個DAC的輸出端並聯起來。從性能方面考慮，主要的關注點在於雜訊問題，尤其是在20 V的電壓範圍下，其LSB大小僅為4.77 μV。本文尚未在此一水平上進行相關測量。為了評估這種電路，有必要製作一塊專門安裝有四個DAC的電路板。

結果

圖4展示了為實現21位元INL精度而連接的兩個AD5791 DAC的INL性能。結果顯示，INL低於±1 LSB，這也是本次實驗的目標。這些結果是在受控的溫度條件下獲得的，整個裝置都被置於一個EMF外箱內。

圖5展示了21位元配置下的DNL，證明瞭其單調性。DNL結果呈現出離散數量的有效DNL代碼。考慮到21位元配置的LSB大小僅為9.53 μV，這種情況可歸因於所使用的數位電壓表(DVM)的侷限性。

這些結果是透過使用3458A數位電壓表、八位半電壓表以及一個標準的實驗室電源得出的。電壓測量的時間窗口設定為20 ms，這與測量所在地歐洲的市電50 Hz頻率相互對應。

結論

將兩個AD5791型20位DAC組合起來，能夠實現具有1 LSB INL的21位元DAC性能。然而，重要的是要關注整個訊號鏈，進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影響系統的輸出。

對於後續工作，建議在印刷電路板(PCB)上搭建這種電路，以增強訊號完整性，並將外部雜訊耦合降至最低。除了進行INL和DNL測量之外，還建議測量諸如雜訊系數等其他參數，以便更全面地剖析系統性能特性。為便於開展這些工作，建議使用一塊新的專用PCB。