【导读】本文先容了一种用在实现超高精度电压源的电路。这类电路将两个20位DAC并联，构建出一个具备±1 LSB精度（或者0.5 ppm）的21位DAC。此外，完备的解决方案还有需要配备与DAC机能相匹配的周详运算放年夜器及基准电压源。本文展示了于选择组件以实现超高精度时的完备问题解决思绪。因为于处置惩罚21位DAC时，热效应及电磁滋扰可能会致使精度问题，是以这两个因素也于思量规模以内。

弁言

如今，进步前辈的数模转换器(DAC)的最高分辩率为20位。对于在一些需要更高精度的运用，如医疗成像或者质谱测定等，这是一个限定因素。于受控情况中将高机能元件组合到一路，可以降服这一限定。换言之，总体解决方案所能实现的精度，取决在电路中各元件所组成的旌旗灯号链，以和这些元件于电路板上的结构。

本文所示的电路展示了怎样组合高机能元件才能连结各个元件的精度，以实现高精度电压源。此电路将AD5791与LTZ1000和AD8675/AD8676搭配利用，于21位精度下实现1 LSB INL。这一精度能令浩繁运用范畴受益。例如，利用这类高精度电压源的医疗装备可以或许天生小型剖解布局的清楚图象。此外，这类电路还有可以用在制造更正确的测试丈量装备，从而有助在出产出正确度更高的工业产物。这类超高精度电压源的运用规模十分广泛，可以或许冲破现有半导体产物的精度瓶颈，为新产物研发提供要害技能支撑。

需要21位1 LSB或者0.5 ppm INL精度的运用包括：科研、医疗及航空航天仪器仪表

医疗成像体系

激光定位器

振动体系

测试与丈量

主动测试装备(ATE)

质谱测定

源表(SMU)

数据收罗/阐发仪

工业主动化

半导体系体例造

历程主动化

电源节制

高级呆板人

于测试与丈量体系中，AD5791具有的0.5 ppm分辩率及精度可以或许晋升总体装备的正确性与邃密度，从而实现对于外部旌旗灯号源及纳米履行器更邃密的节制与激励。于工业主动化中，0.5 ppm分辩率及精度可提供履行器挪动、转向或者定位所需的纳米级精度程度。

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的相对于精度指标(INL)，而且能于±1 LSB微分非线性(DNL)前提下连结单调事情。其他主要参数包括：0.05 ppm/°C的温度漂移、0.1 ppm的峰峰值噪声，以和优在1 ppm的持久不变性。这款IC的内部架构是一个采用薄膜电阻匹配技能制成的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的正基准电压及VSS 2.5 V至0 V的负基准电压驱动。它配备多功效3线串行接口，事情时钟速度最高可达35 MHz，兼容尺度SPI、QSPI™、MICROWIRE™及DSP接口尺度。

LTZ1000是一款超不变的温度可控基准电压源，提供7.2 V输出，具备精彩的1.2 µV p-p噪声、2 μV/√kHr持久不变性及0.05 ppm/℃温度漂移。该器件内置深埋型齐纳二极管基准电压源、用在提高温度不变性的加热电阻，以和温度检测电阻。外部元件用在设置事情电流及温度，以使基准电压源不变，从而提供最年夜的矫捷性，并确保最好的持久不变性及噪声机能。这款颠末温度不变处置惩罚的基准电压源，险些不受外部温度变化的影响。

对于在运算放年夜器而言，需要的是具备低掉调、低噪声及低漂移特征的运算放年夜器。之以是选择AD8675/AD8676运算放年夜器，是由于它们具有精准的轨到轨能力，其特色包括：超低的12 μV的掉调电压、0.6 μV/°C的漂移、于 1 kHz频率下2.8 nV/√Hz的电压噪声，以和于整个事情温度规模内仅 2 nA的输入偏置电流。

基在电阻分压器道理，可使用20位DAC实现21位DAC功效。AD5791的输出阻抗为 3.4 kΩ。当两个此类IC的输出端毗连于一路时，等效电路就酿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，相称在半个LSB。换句话说，经由过程将两个20位DAC的输出端并联，这类配置可以或许获得一个等效的21位DAC。互连图如图1所示。将基准电压VREP及VREFN别离设置为+10 V及-10 V，则VOUT的输出电压规模就能够编程为该电压规模内的肆意电压值。

于本文所展示的丈量历程中，利用的硬件毗连了两块现成的AD5791评估板（订购信息为EVAL-AD5791）。这两块评估板共用统一个基准电压源，即LTZ1000模块，该模块仅安装于此中一块评估板上。两块评估板之间的基准电压毗连是经由过程三根双绞线来实现的。此外，还有利用了一根分外的导线来毗连两个DAC的输出端。本文所展示的机能还有可以获得进一步晋升，要领是将两个AD5791 DAC安装于统一块电路板上，并使用颠末优化的PCB走线来确保各组件之间的短间隔毗连。

图1.两个ADC5791 DAC的输出毗连。

于线性度数据收罗历程中，低频段（低在1 MHz）的外部辐射噪声对于成果孕育发生了影响。这类噪声重要是由于用在测试的评估板间隔电源和四周其他仪器较近。为了降低这类噪声的影响，所有硬件都被放置于一个可以或许拦截电磁场(EMF)的屏蔽箱内，从而有用地使被测硬件免受外部辐射噪声的滋扰。利用的屏蔽箱如图2所示。

图2.测试中所用的EMF屏蔽箱。

情况温度颠簸是影响丈量正确性的要害因素之一。若基准电压源没法于恒温前提下事情，其输出不变性将年夜打扣头。而LTZ1000有用解决了这一问题。该基准电压源内部集成为了一个电阻，经由过程搭配外部元件并使用反馈回路，可以或许切确调治芯片温度。器件内部温度始终连结恒定，有用防止了外部情况温度颠簸对于电压输出不变性造成滋扰。

电源等有源元件，可能会致使电源轨的输出电压发生变化，进而影响DAC的输出电压。电源电压变化对于输出电压的影响表现于DAC的DCPSRR规格中。用在基准电压及输出缓冲的运算放年夜器也体现出温度相干性。

对于在高精度运用而言，电阻选型需非分特别审慎。选择具备低温漂的电阻十分主要，抱负环境下其温漂应于0.01%摆布。而且，于可能的环境下，应使体系于恒定温度下运行，以只管即便减小电阻的变化。

因为温漂，基准电压IC的外部温度变化会致使输出电压成比例地颠簸。这些颠簸对于积分非线性(INL)的影响如图3所示。该INL图是于室温下利用ADR445基准电压源且未利用电磁场屏蔽箱的环境下获得的。于用在测试的电路板上，包罗了典型温漂为3 ppm/K的电阻。于INL中不雅察到的跳跃征象，归因在室内温度的变化，好比室内子数的变更或者空调体系的轮回运行。丈量历程连续了约莫24小时。

图3.利用ADR445基准电压的INL图。

为了于测试历程中只管即便削减温度变化，可以采用一些要领，好比利用温度节制装备，确保于整个测试时期温度连结不变。为了连结测试的简洁性，于测试时期，以前用在使评估板免受外部辐射电磁噪声滋扰的电磁场屏蔽箱，也被用来维持相对于不变的温度。经计较，评估板的功耗低在0.5 W，这使患上于整个测试时期，EMF屏蔽箱内部的温度规模连结于25°C至30°C之间。

于明确了所有可能影响旌旗灯号链DAC输出电压的因素后，下一步即是对于两个DAC举行编程，以有用实现21位DAC的功效。从数字层面来看，于处置惩罚给定的21位代码时，需要将该DAC代码拆分为两部门。若原始代码为偶数，那末做除了法运算后的余数为零。若原始的21位代码为奇数，那末做除了法运算后的余数为1。这类环境下，应答此中一个DAC根据除了法运算的成果举行编程，而另外一个DAC则根据拆分后的代码加1举行编程。表1显示了一个示例。

表1.获取21位代码示例

经由过程细分AD5791的LSB巨细，这一律念还有可以进一步拓展。例如，要实现一个22位DAC，需将四个DAC的输出端并联起来。从机能方面思量，重要的存眷点于在噪声问题，特别是于20 V的电压规模下，其LSB巨细仅为4.77 μV。本文还没有于这一程度长进行相干丈量。为了评估这类电路，有须要建造一块专门安装有四个DAC的电路板。

成果

图4展示了为实现21位INL精度而毗连的两个AD5791 DAC的INL机能。成果注解，INL低在±1 LSB，这也是本次试验的方针。这些成果是于受控的温度前提下得到的，整个装配都被置在一个EMF屏蔽箱内。

图4.21位INL图。

图5展示了21位配置下的DNL，证实了其单调性。DNL成果出现出离散数字的有用DNL代码。思量到21位配置的LSB巨细仅为9.53 μV，这类环境可归因在所利用的数字电压表(DVM)的局限性。

图5.21位DNL图。

这些成果是经由过程利用3458A数字电压表、八位半电压表以和一个尺度的试验室电源患上出的。电压丈量的时间窗口设定为20 ms，这与丈量地点地欧洲的市电50 Hz频率相对于应。

结论

将两个AD5791型20位DAC组合起来，可以或许实现具备1 LSB INL的21位DAC机能。然而，主要的是要存眷整个旌旗灯号链，从而只管即便削减精度偏差。此外，诸如温度及电磁滋扰等外部因素也会影响体系的输出。

对于在后续事情，建议于印刷电路板(PCB)上搭建这类电路，以加强旌旗灯号完备性，并将外部噪声耦合降至最低。除了了举行INL及DNL丈量以外，还有建议丈量诸如噪声系数等其他参数，以便更周全地剖析体系机能特征。为便在开展这些事情，建议利用一块新的专用PCB。

作者简介

Justo Lapiedra是一位运用工程师，于半导体行业拥有跨越20年的从业经验。他卒业在瓦伦西亚年夜学，得到了物理学学位。今朝，Justo就职在周详转换器部分，专注在数模转换器方面的事情。他于西班牙瓦伦西亚的ADI服务处事情。