如何在设计21位精密电压源时实现超高精度

2024-09-03

摘要

本文介绍了一种用于实现超高精度电压源的电路。这种电路将两个20位DAC并联，构建出一个具有±1 LSB精度（或0.5 ppm）的21位DAC。此外，完整的解决方案还需要配备与DAC性能相匹配的精密运算放大器和基准电压源。本文展示了在选择组件以实现超高精度时的完整问题解决思路。由于在处理21位DAC时，热效应和电磁干扰可能会导致精度问题，因此这两个因素也在考虑范围之内。

引言

如今，先进的数模转换器(DAC)的最高分辨率为20位。对于一些需要更高精度的应用，如医疗成像或质谱测定等，这是一个限制因素。在受控环境中将高性能元件组合到一起，可以克服这一限制。换言之，整体解决方案所能实现的精度，取决于电路中各元件所构成的信号链，以及这些元件在电路板上的布局。

本文所示的电路展示了如何组合高性能元件才能保持各个元件的精度，以实现高精度电压源。此电路将AD5791与LTZ1000及 AD8675/AD8676搭配使用，在21位精度下实现1 LSB INL。这一精度能令众多应用领域受益。例如，使用这种高精度电压源的医疗设备能够生成小型解剖结构的清晰图像。此外，这种电路还可以用于制造更准确的测试测量设备，从而有助于生产出准确度更高的工业产品。这种超高精度电压源的应用范围十分广泛，能够突破现有半导体产品的精度瓶颈，为新产品研发提供关键技术支撑。

需要21位1 LSB或0.5 ppm INL精度的应用包括：

科研、医疗和航空航天仪器仪表

医疗成像系统
激光定位器
振动系统

测试与测量

自动测试设备(ATE)
质谱测定
源表(SMU)
数据采集/分析仪

工业自动化

半导体制造
过程自动化
电源控制
高级机器人

在测试与测量系统中，AD5791具备的0.5 ppm分辨率和精度能够提升整体设备的准确性与精细度，从而实现对外部信号源和纳米执行器更精细的控制与激励。在工业自动化中，0.5 ppm分辨率和精度可提供执行器移动、转向或定位所需的纳米级精度水平。

AD5791是一款单通道、20位、双极性输出、无缓冲的电压输出DAC。它实现了±1 LSB的相对精度指标(INL)，并且能在±1 LSB微分非线性(DNL)条件下保持单调工作。其他重要参数包括：0.05 ppm/°C的温度漂移、0.1 ppm的峰峰值噪声，以及优于1 ppm的长期稳定性。这款IC的内部架构是一个采用薄膜电阻匹配技术制成的R-2R数模转换器。该器件采用最高33 V的双极性电源供电，可由+5 V至VDD–2.5 V的正基准电压和VSS 2.5 V至0 V的负基准电压驱动。它配备多功能3线串行接口，工作时钟速率最高可达35 MHz，兼容标准SPI、QSPI^™、MICROWIRE^™和DSP接口标准。

LTZ1000是一款超稳定的温度可控基准电压源，提供7.2 V输出，具有出色的1.2 µV p-p噪声、2 μV/√kHrr长期稳定性和0.05 ppm/°C温度漂移。该器件内置深埋型齐纳二极管基准电压源、用于提高温度稳定性的加热电阻，以及温度检测电阻。外部元件用于设置工作电流和温度，以使基准电压源稳定，从而提供最大的灵活性，并确保最佳的长期稳定性和噪声性能。这款经过温度稳定处理的基准电压源，几乎不受外部温度变化的影响。

对于运算放大器而言，需要的是具有低失调、低噪声和低漂移特性的运算放大器。之所以选择AD8675/AD8676运算放大器，是因为它们具备精准的轨到轨能力，其特点包括：超低的12 μV的失调电压、0.6 μV/°C的漂移、在 1 kHz频率下2.8 nV/√Hz的电压噪声，以及在整个工作温度范围内仅 2 nA的输入偏置电流。

基于电阻分压器原理，可利用20位DAC实现21位DAC功能。AD5791的输出阻抗为 3.4 kΩ。当两个此类IC的输出端连接在一起时，等效电路就变成了一个电阻分压器。当两个DAC之间的代码差值为一个LSB时，DAC电阻分压器的输出电压将是该电压差值的一半，相当于半个LSB。换句话说，通过将两个20位DAC的输出端并联，这种配置能够得到一个等效的21位DAC。互连图如图1所示。将基准电压V_REP和V_REFN分别设置为+10 V和-10 V，则 V_OUT的输出电压范围就可以编程为该电压范围内的任意电压值。

Figure 1. The output connection of two ADC5791 DACs. — 图1. 两个ADC5791 DAC的输出连接。

在本文所展示的测量过程中，使用的硬件连接了两块现成的 AD5791评估板（订购信息为EVAL-AD5791）。这两块评估板共用同一个基准电压源，即LTZ1000模块，该模块仅安装在其中一块评估板上。两块评估板之间的基准电压连接是通过三根双绞线来实现的。此外，还使用了一根额外的导线来连接两个DAC的输出端。本文所展示的性能还可以得到进一步提升，方法是将两个AD5791 DAC安装在同一块电路板上，并利用经过优化的PCB走线来确保各组件之间的短距离连接。

在线性度数据采集过程中，低频段（低于1 MHz）的外部辐射噪声对结果产生了影响。这种噪声主要是因为用于测试的评估板距离电源及附近其他仪器较近。为了降低这种噪声的影响，所有硬件都被放置在一个能够阻挡电磁场(EMF)的屏蔽箱内，从而有效地使被测硬件免受外部辐射噪声的干扰。使用的屏蔽箱如图2所示。

环境温度波动是影响测量准确性的关键因素之一。若基准电压源无法在恒温条件下工作，其输出稳定性将大打折扣。而LTZ1000有效解决了这一问题。该基准电压源内部集成了一个电阻，通过搭配外部元件并利用反馈回路，能够精确调节芯片温度。器件内部温度始终保持恒定，有效避免了外部环境温度波动对电压输出稳定性造成干扰。
电源等有源元件，可能会导致电源轨的输出电压发生变化，进而影响DAC的输出电压。电源电压变化对输出电压的影响体现在DAC的DCPSRR规格中。用于基准电压和输出缓冲的运算放大器也表现出温度相关性。
对于高精度应用而言，电阻选型需格外谨慎。选择具有低温漂的电阻十分重要，理想情况下其温漂应在0.01%左右。并且，在可能的情况下，应使系统在恒定温度下运行，以尽量减小电阻的变化。

由于温漂，基准电压IC的外部温度变化会导致输出电压成比例地波动。这些波动对积分非线性(INL)的影响如图3所示。该INL 图是在室温下使用ADR445基准电压源且未使用电磁场屏蔽箱的情况下得到的。在用于测试的电路板上，包含了典型温漂为3 ppm/K的电阻。在INL中观察到的跳跃现象，归因于室内温度的变化，比如室内人数的变动或空调系统的循环运行。测量过程持续了大约24小时。

为了在测试过程中尽量减少温度变化，可以采用一些方法，比如使用温度控制设备，确保在整个测试期间温度保持稳定。为了保持测试的简便性，在测试期间，之前用于使评估板免受外部辐射电磁噪声干扰的电磁场屏蔽箱，也被用来维持相对稳定的温度。经计算，评估板的功耗低于0.5 W，这使得在整个测试期间，EMF屏蔽箱内部的温度范围保持在25°C至30°C之间。

在明确了所有可能影响信号链DAC输出电压的因素后，下一步便是对两个DAC进行编程，以有效实现21位DAC的功能。从数字层面来看，在处理给定的21位代码时，需要将该DAC代码拆分为两部分。若原始代码为偶数，那么做除法运算后的余数为零。若原始的21位代码为奇数，那么做除法运算后的余数为1。这种情况下，应对其中一个DAC按照除法运算的结果进行编程，而另一个DAC则按照拆分后的代码加1进行编程。表1显示了一个示例。

表1. 获取21位代码示例
21位代码	DAC A：20位代码	DAC B：20位代码
偶数，例如：0x10	0x8	0x8
奇数，例如：0x11	0x8	0x9

通过细分AD5791的LSB大小，这一概念还可以进一步拓展。例如，要实现一个22位DAC，需将四个DAC的输出端并联起来。从性能方面考虑，主要的关注点在于噪声问题，尤其是在20 V的电压范围下，其LSB大小仅为4.77 μV。本文尚未在这一水平上进行相关测量。为了评估这种电路，有必要制作一块专门安装有四个DAC的电路板。