18位、線性、低噪聲、精密雙極性±10 V直流電壓源

電路功能與優(yōu)勢(shì)

圖1所示電路是一個(gè)18位線性、低噪聲、精密雙極性(±10 V)電壓源，所需外部元件的數(shù)量極少。 AD5780 是一款18位、無緩沖電壓輸出DAC,采用最高33 V的雙極性電源供電。正基準(zhǔn)電壓輸入范圍為5 V至VDD – 2.5V,負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入范圍為VSS + 2.5 V至0V.兩路基準(zhǔn)電壓輸入均在片內(nèi)緩沖，無需外部緩沖。相對(duì)精度最大值為±1 LSB,保證工作單調(diào)性，微分非線性(DNL)最大值為±1 LSB.

精密運(yùn)算放大器AD8675 具有低失調(diào)電壓(最大值75 μV)和低噪聲(典型值2.8 nV/√Hz)特性，是AD5780的最佳輸出緩沖器。AD5780具有兩個(gè)內(nèi)部匹配的前饋和反饋電阻，這些電阻連接到運(yùn)算放大器AD8675,并提供10 V偏移電壓。因此，采用單個(gè)10 V外部基準(zhǔn)電壓源時(shí)，輸出電壓擺幅可以達(dá)到±10 V.

該電路的數(shù)字輸入采用串行輸入，并與標(biāo)準(zhǔn)SPI、QSPI、MICROWIRE?和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。對(duì)于高精度應(yīng)用，通過結(jié)合使用AD5780、ADR445 和AD8675等精密器件，這個(gè)緊湊的電路可以提供高精度和低噪聲性能。

這一器件組合可以提供業(yè)界領(lǐng)先的18位分辨率、±1 LSB積分非線性(INL)和±0.75 LSB微分非線性(DNL)，可以確保單調(diào)性，并且具有低功耗、小尺寸PCB、高性價(jià)比等特性，采用LFCSP封裝。

圖1. 18位精密、±10V電壓源(原理示意圖：未顯示去耦和所有連接)

電路描述

圖1所示數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)為AD5780,這是一款SPI接口的18位高壓轉(zhuǎn)換器，提供±1 LSB INL、±0.75 LSB DNL和7.5 nV/√Hz噪聲頻譜密度。另外，AD5780還具有極低的溫漂(0.005 LSB/°C)特性。

在圖1中，AD5780配置為增益為2的模式，這樣便可以用單基準(zhǔn)電壓源來產(chǎn)生對(duì)稱的雙極性輸出電壓范圍。此工作模式采用外部運(yùn)算放大器(A2)和片內(nèi)電阻(參見AD5780數(shù)據(jù)手冊(cè))來提供2倍的增益。這些內(nèi)部電阻相互之間以及與DAC梯形電阻之間均熱匹配，因而可實(shí)現(xiàn)比率熱跟蹤。輸出緩沖器同樣采用AD8675,它具有低噪聲和低漂移特性。該放大器(A1)還用于將低噪聲ADR445的+5 V基準(zhǔn)電壓放大至+10 V.此增益電路中的R2和R3為精密金屬薄片電阻，其容差和溫度系數(shù)電阻分別為0.01%和0.6 ppm/°C.要在整個(gè)溫度范圍內(nèi)達(dá)到最佳性能，R1和R2應(yīng)處于單個(gè)封裝內(nèi)，如Vishay 300144或VSR144系列。R2和R3均選用1 kΩ，以便將系統(tǒng)噪聲保持在較低水平。R1和C1構(gòu)成低通濾波器，截止頻率大約為10 Hz.該濾波器用于衰減基準(zhǔn)電壓源噪聲。

線性度測(cè)量

利用Agilent 3458A萬(wàn)用表，在EVAL-AD5780SDZ 評(píng)估板上演示圖1所示電路的精密性能。圖2顯示積分非線性與DAC代碼具有函數(shù)關(guān)系，且位于±1 LSB的規(guī)格范圍內(nèi)。

圖2. 積分非線性與DAC碼的關(guān)系

圖3顯示微分非線性與DAC代碼具有函數(shù)關(guān)系，且位于?0.25 LSB至+0.75 LSB的規(guī)格范圍內(nèi)。

圖3. 微分非線性與DAC碼的關(guān)系

噪聲漂移測(cè)量

要實(shí)現(xiàn)高精度，電路輸出端的峰峰值噪聲必須維持在1 LSB以下，對(duì)于18位分辨率和20 V峰峰值電壓范圍則為76.29 μV.

實(shí)時(shí)噪聲應(yīng)用中不會(huì)在0.1 Hz處有高通截止頻率來衰減1/f噪聲，但會(huì)在其通帶中包含低至DC的頻率;因此，測(cè)得的峰峰值噪聲更為實(shí)際，如圖4所示。本例中，電路輸出端的噪聲是在100秒內(nèi)測(cè)得的，測(cè)量充分涵蓋低至0.01 Hz的頻率。截止頻率上限大約為14 Hz并受限于測(cè)量設(shè)置。

圖4顯示三種條件下的峰峰值：1.2 μV(零電平輸出)、32 μV(中間電平輸出)和64 μV(滿量程輸出)。

零電平輸出電壓的噪聲最低，此時(shí)噪聲僅來自DAC內(nèi)核。選擇零電平碼時(shí)，DAC會(huì)衰減各基準(zhǔn)電壓路徑的噪聲貢獻(xiàn)。

圖4. 100秒內(nèi)測(cè)得的DAC輸出電壓噪聲：滿量程(紅色)、中間電平(綠色)和零電平(藍(lán)色)

隨著測(cè)量時(shí)間變長(zhǎng)，較低頻率將包含在內(nèi)，而峰峰值將變大。頻率較低時(shí)，溫度漂移和熱電偶效應(yīng)會(huì)變成誤差源。通過選擇熱系數(shù)較小的器件可以將上述效應(yīng)降至最小。在此電路中，低頻1/f噪聲的主要來源是基準(zhǔn)電壓源。另外，基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)值也是電路中最大的，為3 ppm/°C.為了改善中間電平和滿量程DAC輸出噪聲，需要使用溫度控制的超低噪聲基準(zhǔn)電壓源。

圖5顯示用+5 V Krohn Hite 523型精密基準(zhǔn)電壓源取代ADR445后的信號(hào)鏈性能。