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用20位DAC实现1ppm精度的精密电压源

电源技术 | 发布时间:2017-09-12 | 人气: | #评论# |本文关键字:DAC,电源
摘要:简介 高分辨率数模转换器(DAC)的常见用途之一是提供可控精密电压。分辨率高达20位、精度达1 ppm且具有合理速率的DAC的应用范围包括医疗MRI系统中的梯度线圈控制、测试和计量中的精密

简介

  高分辨率数模转换器(DAC)的常见用途之一是提供可控精密电压。分辨率高达20位、精度达1 ppm且具有合理速率的DAC的应用范围包括医疗MRI系统中的梯度线圈控制、测试和计量中的精密直流源、质谱测定和气谱分析中的精密定点和位置控制以及科学应用中的光束检测。

  随着时间的推移,半导体处理和片内校准技术的发展,关于精密集成电路DAC 的定义也不断变化。高精度12 位DAC 一度被认为遥不可及;近年来,16 位精度已日益在精密医学、仪器仪表、测试和计量应用中得到广泛运用;在未来,控制系统和仪器仪表系统甚至需要更高的分辨率和精度。

  高精密应用目前要求18/20 位、1 ppm精度数模转换器,以前只有笨重、昂贵、慢速的Kelvin-Varley分压器才能达到这一性能水平 - 属于标准实验室的专利,几乎不适用于现实仪器仪表系统。针对这类要求且采用IC DAC组件,更便利的半导体1 ppm 精度解决方案已推出数年,但此类复杂系统需要使用多种器件,需要不断进行校准,还需十分谨慎才可取得理想精度, 而且体积大、成本高(见附录)。长久以来,精密仪器仪表市场都需要一种更简单,具有成本优势,无需校准或持续监控, 简单易用,而且提供保证性能规格的DAC。目前,从16 位和18 位单芯片转换器(如DAC)自然升级已成为可能。

  AD5791 1 ppm DAC

  半导体处理技术、DAC架构设计和快速片内校准技术的发展使稳定、建立时间短的高线性度数模转换器成为可能。这种转换器可提供高优于1 ppm的相对精度、0.05 ppm/°C温度漂移、0.1 ppm p-p噪声、优于1 ppm的长期稳定性和1MHz吞吐量。这类小型单芯片器件保证性能规格,无需校准且简单易用。AD5791 及其配套基准电压源和输出缓冲的典型功能框图如图1所示。

AD5791 典型工作框图

图 1. AD5791 典型工作框图。

  AD5791是一款单芯片、20 位、电压输出数模转换器,具有额定的1 LSB(最低有效位)积分非线性度(INL)和微分非线性度(DNL),是业界首款单芯片1 ppm 精度的数模转换器(1 [email protected] 位为220 分之一 =1,048,576 分之一 = 1 ppm)。该器件设计用于高精密仪器仪表以及测试和计量系统,与其他解决方案相比,其整体性能有较大提升,具有更高的精度、体积更小、成本更低,使以前不具经济可行性的仪器仪表应用成为可能。

  其设计(如图2 所示)采用精密电压模式R-2R 架构,利用了最新的薄膜电阻匹配技术,并通过片内校准例程来实现1 ppm 精度。由于AD5791 采用工厂校准模式,因而运行时无需校准程序,其延迟不超过100 ns,可用于波形生成应用及快速控制环路。

DAC 梯形结构

图 2. DAC 梯形结构。

  AD5791 不但提供出色的线性度,而且可具有9 nV/√Hz 噪声密度、0.1 Hz 至10 Hz 频带内0.6 μV 峰峰值噪声、0.05 ppm/°C 温度漂移,且其1000 小时长期稳定性优于0.1 ppm。

  作为一种高电压器件,采用双电源供电,最高±16.5 V。输出电压范围由正负基准电压VREFP 和 VREFN 决定,提供了灵活的输出范围选择。

  AD5791 所用精密架构要求使用高性能外置放大器来缓冲来自3.4 kΩ DAC 电阻的基准源,为基准输入引脚的加载感应提供方便,以确保AD5791 的1 ppm 线性度。AD5791 需要一个输出缓冲来驱动负载,以减轻3.4 kΩ 输出阻抗的负担 - 除非驱动的是一个极高阻抗、低电容负载 - 或者衰减处于容限之内并可预测。

  由于放大器为外置型,可根据噪声、温度漂移和速度的优化需要进行选择 - 并可调整比例因子 - 具体视应用需要而定。对于基准缓冲,建议采用AD8676双通道放大器,其具有低噪声、低失调误差、低失调误差漂移和低输入偏置电流的特点。基准缓冲的输入偏置电流特性非常重要,因为过大的偏置电流会降低直流线性度。积分非线性度的降低(单位:ppm)为输入偏置电流的函数,一般表示为:

  其中,IBIAS 单位为 nA;VREFP 和 VREFN 的单位均为伏特。例如,对于±10 V 的基准输入范围,100 nA 的输入偏置电流将使INL 提高0.05 ppm。

  输出缓冲的主要要求与基准缓冲相似 - 唯一例外是偏置电流,因为它不影响AD5791 的线性度。但失调电压和输入偏置电流可能会影响到输出失调电压。为了维持直流精度,建议将AD8675用作输出缓冲。高吞吐量应用要求使用较高压摆率的快速输出缓冲放大器。

  表1列出了少数适用精密放大器的关键技术规格。

  AD5791具有设计时间更短、设计风险更小、成本更低、电路板尺寸更小、可靠性更高和保证性能规格的特点。

  图3是一种电路示意图,其中以AD5791 (U1)作为精密数控1 ppm电压源,电压范围为±10 V,增量为20 μV;以AD8676 (U2)作为基准缓冲;以AD8675 (U3)作为输出缓冲。绝对精度取决于外置10 V基准电压源的选择。

采用AD5791数模转换器的1 ppm精度系统

图3. 采用AD5791数模转换器的1 ppm精度系统

  性能测量

  该电路的重要指标是积分非线性度、微分非线性度和0.1 Hz至10 Hz峰峰值噪声。图4显示,典型INL处于±0.6 LSB之内。

积分非线性度坐标图

图4. 积分非线性度坐标图。

  图5所示典型DNL为±0.5 LSB;在整个位跃迁范围内,输出均可保证单调性。

微分非线性度坐标图

图5. 微分非线性度坐标图。

  0.1 Hz至10 Hz带宽内的峰峰值噪声约为700 nV,如图6所示。

低频噪声

图6. 低频噪声。

  

责任编辑:电气自动化网

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