用20位DAC實(shí)現(xiàn)1 ppm精度——精密電壓源

　　高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的常見(jiàn)用途之一是提供可控精密電壓。分辨率高達(dá)20位、精度達(dá)1 ppm且具有合理速率的DAC的應(yīng)用范圍包括醫(yī)療MRI系統(tǒng)中的梯度線圈控制、測(cè)試和計(jì)量中的精密直流源、質(zhì)譜測(cè)定和氣譜分析中的精密定點(diǎn)和位置控制以及科學(xué)應(yīng)用中的光束檢測(cè)。

　　隨著時(shí)間的推移，半導(dǎo)體處理和片內(nèi)校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于精密集成電路DAC的定義也不斷變化。高精度12 位DAC一度被認(rèn)為遙不可及；近年來(lái)，16 位精度已日益在精密醫(yī)學(xué)、儀器儀表、測(cè)試和計(jì)量應(yīng)用中得到廣泛運(yùn)用；在未來(lái)，控制系統(tǒng)和儀器儀表系統(tǒng)甚至需要更高的分辨率和精度。

　　高精密應(yīng)用目前要求18/20位、1 ppm精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以前只有笨重、昂貴、慢速的Kelvin-Varley分壓器才能達(dá)到這一性能水平——屬于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的專利，幾乎不適用于現(xiàn)實(shí)儀器儀表系統(tǒng)。針對(duì)這類要求且采用IC DAC組件，更便利的半導(dǎo)體1 ppm 精度解決方案已推出數(shù)年，但此類復(fù)雜系統(tǒng)需要使用多種器件，需要不斷進(jìn)行校準(zhǔn)，還需十分謹(jǐn)慎才可取得理想精度，而且體積大、成本高（見(jiàn)附錄）。長(zhǎng)久以來(lái)，精密儀器儀表市場(chǎng)都需要一種更簡(jiǎn)單，具有成本優(yōu)勢(shì)，無(wú)需校準(zhǔn)或持續(xù)監(jiān)控，簡(jiǎn)單易用，而且提供保證性能規(guī)格的DAC。目前，從16 位和18 位單芯片轉(zhuǎn)換器（如DAC）自然升級(jí)已成為可能。

　　AD5791 1 ppm DAC

　　半導(dǎo)體處理技術(shù)、DAC架構(gòu)設(shè)計(jì)和快速片內(nèi)校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展使穩(wěn)定、建立時(shí)間短的高線性度數(shù)模轉(zhuǎn)換器成為可能。這種轉(zhuǎn)換器可提供高優(yōu)于1 ppm的相對(duì)精度、0.05 ppm/°C溫度漂移、0.1 ppm p-p噪聲、優(yōu)于1 ppm的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和1MHz吞吐量。這類小型單芯片器件保證性能規(guī)格，無(wú)需校準(zhǔn)且簡(jiǎn)單易用。AD5791及其配套基準(zhǔn)電壓源和輸出緩沖的典型功能框圖如圖1所示。

　　圖1. AD5791典型工作框圖。

　　AD5791是一款單芯片、20 位、電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有額定的1 LSB（最低有效位）積分非線性度（INL）和微分非線性度（DNL），是業(yè)界首款單芯片1 ppm 精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（1 LSB@20位為220分之一 =1，048，576分之一 = 1 ppm）。該器件設(shè)計(jì)用于高精密儀器儀表以及測(cè)試和計(jì)量系統(tǒng)，與其他解決方案相比，其整體性能有較大提升，具有更高的精度、體積更小、成本更低，使以前不具經(jīng)濟(jì)可行性的儀器儀表應(yīng)用成為可能。

　　其設(shè)計(jì)（如圖2所示）采用精密電壓模式R-2R架構(gòu)，利用了最新的薄膜電阻匹配技術(shù)，并通過(guò)片內(nèi)校準(zhǔn)例程來(lái)實(shí)現(xiàn)1 ppm精度。由于AD5791采用工廠校準(zhǔn)模式，因而運(yùn)行時(shí)無(wú)需校準(zhǔn)程序，其延遲不超過(guò)100 ns，可用于波形生成應(yīng)用及快速控制環(huán)路。

　　圖2. DAC梯形結(jié)構(gòu)。

　　AD5791不但提供出色的線性度，而且可具有9 nV/√Hz噪聲密度、0.1 Hz至10 Hz頻帶內(nèi)0.6 μV峰峰值噪聲、0.05 ppm/°C溫度漂移，且其1000小時(shí)長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于0.1 ppm。

　　作為一種高電壓器件，采用雙電源供電，最高±16.5 V。輸出電壓范圍由正負(fù)基準(zhǔn)電壓VREFP和VREFN決定，提供了靈活的輸出范圍選擇。　　AD5791所用精密架構(gòu)要求使用高性能外置放大器來(lái)緩沖來(lái)自3.4 k? DAC電阻的基準(zhǔn)源，為基準(zhǔn)輸入引腳的加載感應(yīng)提供方便，以確保AD5791的1 ppm線性度。AD5791需要一個(gè)輸出緩沖來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，以減輕3.4 k?輸出阻抗的負(fù)擔(dān)——除非驅(qū)動(dòng)的是一個(gè)極高阻抗、低電容負(fù)載——或者衰減處于容限之內(nèi)并可預(yù)測(cè)。

　　由于放大器為外置型，可根據(jù)噪聲、溫度漂移和速度的優(yōu)化需要進(jìn)行選擇——并可調(diào)整比例因子——具體視應(yīng)用需要而定。對(duì)于基準(zhǔn)緩沖，建議采用AD8676 雙通道放大器，其具有低噪聲、低失調(diào)誤差、低失調(diào)誤差漂移和低輸入偏置電流的特點(diǎn)。基準(zhǔn)緩沖的輸入偏置電流特性非常重要，因?yàn)檫^(guò)大的偏置電流會(huì)降低直流線性度。積分非線性度的降低（單位：ppm）為輸入偏置電流的函數(shù)，一般表示為：

　　其中，IBIAS 單位為 nA；VREFP和VREFN的單位均為伏特。例如，對(duì)于±10 V的基準(zhǔn)輸入范圍，100 nA的輸入偏置電流將使INL提高0.05 ppm。

　　輸出緩沖的主要要求與基準(zhǔn)緩沖相似——唯一例外是偏置電流，因?yàn)樗挥绊慉D5791的線性度。但失調(diào)電壓和輸入偏置電流可能會(huì)影響到輸出失調(diào)電壓。為了維持直流精度，建議將AD8675 用作輸出緩沖。高吞吐量應(yīng)用要求使用較高壓擺率的快速輸出緩沖放大器。

　　表1列出了少數(shù)適用精密放大器的關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格。

　　表1. 精密放大器的關(guān)鍵技術(shù)規(guī)格

　　圖3是一種電路示意圖，其中以AD5791 （U1）作為精密數(shù)控1 ppm電壓源，電壓范圍為±10 V，增量為20 μV；以AD8676 （U2）作為基準(zhǔn)緩沖；以AD8675 （U3）作為輸出緩沖。絕對(duì)精度取決于外置10 V基準(zhǔn)電壓源的選擇。

　　圖3.采用AD5791數(shù)模轉(zhuǎn)換器的1 ppm精度系統(tǒng)。

　　性能測(cè)量

　　該電路的重要指標(biāo)是積分非線性度、微分非線性度和0.1 Hz至10 Hz峰峰值噪聲。圖4顯示，典型INL處于±0.6 LSB之內(nèi)。

　　圖4. 積分非線性度坐標(biāo)圖。

　　圖5所示典型DNL為±0.5 LSB；在整個(gè)位躍遷范圍內(nèi)，輸出均可保證單調(diào)性。

　　圖5. 微分非線性度坐標(biāo)圖。

　　0.1 Hz至10 Hz帶寬內(nèi)的峰峰值噪聲約為700 nV，如圖6所示。

　　圖6. 低頻噪聲。

　　AD5791僅僅是個(gè)開(kāi)始：

　　1 ppm電路的復(fù)雜性

　　盡管AD5791一類的精密次 1 ppm元件已上市，但構(gòu)建1 ppm系統(tǒng)并非易事，不能草率對(duì)待。必須全面考慮在這個(gè)精度級(jí)別出現(xiàn)的誤差源。1 ppm 精度電路中的主要誤差源為噪聲、溫度漂移、熱電電壓和物理應(yīng)力。應(yīng)遵循精密電路的構(gòu)建技術(shù)，以盡量降低此類誤差在整個(gè)電路中的耦合和傳播效應(yīng)，避免產(chǎn)生外部干擾。下面將簡(jiǎn)要總結(jié)這些考慮因素。更多詳情請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)。

　　噪聲

　　工作于1 ppm分辨率和精度時(shí)，必須將噪聲降至最低水平。AD5791的噪聲頻譜密度為9 nV/√Hz，主要源于3.4 k? DAC電阻的約翰遜噪聲。為了盡量避免增加系統(tǒng)噪聲，必須將所有外設(shè)的噪聲貢獻(xiàn)降至最低。電阻值應(yīng)低于DAC電阻，以確保其約翰遜噪聲貢獻(xiàn)不會(huì)大幅提高方和根總體噪聲水平。AD8676基準(zhǔn)緩沖和AD8675輸出緩沖額定噪聲密度為2.8 nV/√Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DAC的噪聲貢獻(xiàn)。

　　通過(guò)簡(jiǎn)單的R-C濾波器，即可相對(duì)簡(jiǎn)單地消除高頻噪聲，但0.1 Hz至10 Hz范圍內(nèi)的1/f噪聲卻很難在不影響直流精度的情況下濾除。降低1/f噪聲最有效的方法是避免其進(jìn)入電路之中。AD5791在0.1 Hz至10 Hz帶寬下產(chǎn)生約0.6 μV峰峰值噪聲，遠(yuǎn)低于1 LSB（輸出范圍為±10 V時(shí)，1 LSB = 19 μV）。在整個(gè)電路中，1/f最大噪聲的目標(biāo)值應(yīng)為0.1 LSB或2 μV左右，通過(guò)選擇合適的元件即可達(dá)到此目標(biāo)。電路中的放大器產(chǎn)生0.1 μV峰峰值1/f噪聲；信號(hào)鏈中的三個(gè)放大器在電路輸出端共產(chǎn)生約0.2 μV峰峰值噪聲。加上來(lái)自AD5791的0.6 μV峰峰值噪聲，預(yù)計(jì)總1/f噪聲約為0.8 μV峰峰值，該值與圖5所示測(cè)量值緊密相關(guān)。這為可能增加的其他電路（如放大器、電阻和基準(zhǔn)電壓源）等留出了充足的余量。

　　溫度漂移

　　與所有精密電路一樣，所有元件的溫度漂移是主要誤差源之一。減少漂移的關(guān)鍵是選擇次 1 ppm溫度系數(shù)的重要元件。AD5791具有極低的溫度系數(shù)，為0.05 ppm/°C。AD8676基準(zhǔn)緩沖的漂移系數(shù)為0.6 μV/°C，總共會(huì)向電路中增加0.03 ppm/°C的增益漂移；AD8675輸出緩沖會(huì)再貢獻(xiàn)0.03 ppm/°C的輸出漂移；相加后為0.11 ppm/°C。縮放和增益電路中應(yīng)使用低漂移、熱匹配電阻網(wǎng)絡(luò)。建議使用Vishay體金屬薄膜分壓器電阻系列300144Z和300145Z，其電阻跟蹤溫度系數(shù)為0.1 ppm/°C。

　　熱電電壓

　　熱電電壓是Seebeck效應(yīng)造成的結(jié)果：相異金屬結(jié)處產(chǎn)生與溫度有關(guān)的電壓。根據(jù)結(jié)處的金屬元件，結(jié)果產(chǎn)生的電壓位于0.2 μV/°C至1 mV/°C之間。最好的情況是銅銅結(jié)，產(chǎn)生的熱電EMF不到0.2 μV/°C。在最糟糕的情況下，銅銅氧化物結(jié)可產(chǎn)生最大1 mV/°C的熱電電壓。對(duì)小幅溫度波動(dòng)的這種靈敏度意味著，附近的耗能元件或跨越印刷電路板（PCB）的低速氣流可能產(chǎn)生不同的溫度梯度，結(jié)果產(chǎn)生不同的熱電電壓，而這種電壓又表現(xiàn)為與低頻1/f 噪聲相似的低頻漂移。可通過(guò)消除系統(tǒng)中的相異結(jié)和/或消除熱梯度來(lái)避免熱電電壓。雖然消除相異金屬結(jié)幾乎不可能——IC封裝、PCB電路、布線和連接器中存在多種不同的金屬——但使所有連接均保持整潔，消除氧化物，這種方法可以有效地減少熱電電壓。屏蔽電路使其不受氣流影響，是一種有效的熱電電壓穩(wěn)定方法，而且具有電屏蔽的增值作用。圖7展示了開(kāi)放式電路與封閉式電路在電壓漂移上的差異。

　　圖7. 開(kāi)放式系統(tǒng)和封閉式系統(tǒng)的電壓漂移與時(shí)間關(guān)系。

　　為了消除熱電電壓，可在電路中增加補(bǔ)償結(jié)，但必須進(jìn)行大量的試驗(yàn)和重復(fù)測(cè)試，以確保插入結(jié)配對(duì)正確、位置無(wú)誤。截至目前，最高效的方法是減少信號(hào)路徑中的元件數(shù)，穩(wěn)定局部溫度和環(huán)境溫度，從而減少電路中的結(jié)。

　　物理應(yīng)力

　　高精模擬半導(dǎo)體器件對(duì)其封裝承受的應(yīng)力非常敏感。封裝中的應(yīng)力消除填充物具有一定的作用，但無(wú)法補(bǔ)償因PCB變形等局部應(yīng)力源在封裝上直接產(chǎn)生的壓力帶來(lái)的較大應(yīng)力。印刷電路板越大，封裝可能承受的應(yīng)力越大，因此即使在小型電路板上也應(yīng)安裝敏感電路——通過(guò)柔性或非剛性連接器與大系統(tǒng)相連。如果必須使用較大電路板，則應(yīng)在敏感元件周圍，在元件兩面或（最好）三面割些應(yīng)力消除切口，可極大地減少因電路板彎曲給元件帶來(lái)的應(yīng)力。

　　長(zhǎng)期穩(wěn)定性

　　在考慮噪聲和溫度漂移的基礎(chǔ)上，還需考慮長(zhǎng)期穩(wěn)定性。精密模擬IC雖然非常穩(wěn)定，但確實(shí)會(huì)發(fā)生長(zhǎng)期老化變化。AD5791在125°C的長(zhǎng)期穩(wěn)定性一般好于0.1 ppm/1000 小時(shí)。雖然老化不具累積性質(zhì)，但遵循平方根規(guī)則（若某個(gè)器件的老化速度為1 ppm/1000 小時(shí)，為√2 ppm/2000 小時(shí)，為√3 ppm/3000 小時(shí)等等）。一般地，溫度每降低25°C，時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)10倍；因此，當(dāng)工作溫度為85°C時(shí)，在10000小時(shí)的期間（約60星期），預(yù)計(jì)老化為0.1 ppm。以此外推，在10年期間，預(yù)計(jì)老化為0.32 ppm。即是說(shuō)，當(dāng)工作溫度為85°C時(shí)，在10年期間，數(shù)據(jù)手冊(cè)直流規(guī)格可能漂移0.32 ppm。

　　電路構(gòu)建和布局

　　在注重精度的電路中，精心考慮電源和接地回路布局有助于確保達(dá)到額定性能。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，應(yīng)采用模擬部分與數(shù)字部分相分離的設(shè)計(jì)，并限制在電路板的不同區(qū)域內(nèi)。如果DAC所在系統(tǒng)中有多個(gè)器件要求模數(shù)接地連接，則只能在一個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行連接。星形接地點(diǎn)盡可能靠近該器件。必須采用足夠大的10 µF電源旁路電容，與每個(gè)電源引腳上的0.1 µF電容并聯(lián)，并且盡可能靠近封裝，最好是正對(duì)著該器件。10 μF電容應(yīng)為鉭珠型電容。0.1 µF電容必須具有低有效串聯(lián)電阻（ESR）和低有效串聯(lián)電感（ESL），如高頻時(shí)提供低阻抗接地路徑的普通多層陶瓷型電容，以便處理內(nèi)部邏輯開(kāi)關(guān)所引起的瞬態(tài)電流。各電源線路上若串聯(lián)一個(gè)鐵氧體磁珠，則可進(jìn)一步防止高頻噪聲通過(guò)器件。

　　電源走線必須盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。利用數(shù)字地將快速開(kāi)關(guān)信號(hào)（如時(shí)鐘）屏蔽起來(lái)，以避免向電路板上的其他器件輻射噪聲，并且不得靠近基準(zhǔn)輸入，也不得置于封裝之下?；鶞?zhǔn)輸入上的噪聲必須降至最低，因?yàn)檫@種噪聲會(huì)被耦合至DAC輸出。避免數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)交叉，電路板相反兩側(cè)上的走線應(yīng)彼此垂直，以減小電路板的饋通效應(yīng)。

　　基準(zhǔn)電壓源

　　維持整個(gè)電路性能的是外部基準(zhǔn)電壓源，其噪聲和溫度系數(shù)直接影響系統(tǒng)的絕對(duì)精度。為了充分發(fā)揮1 ppm AD5791數(shù)模轉(zhuǎn)換器的性能，基準(zhǔn)元件和關(guān)聯(lián)元件應(yīng)具有與DAC不相上下的溫度漂移和噪聲規(guī)格。雖然離溫度漂移為0.05 ppm/°C的基準(zhǔn)電壓源仍相去甚遠(yuǎn)，但0.1 Hz 至10 Hz范圍噪聲低于1 μV p-p的1 ppm/°C和2 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源確實(shí)存在。

　　結(jié)論

　　隨著精密儀器儀表以及測(cè)試和計(jì)量應(yīng)用對(duì)精度的要求不斷提高，人們正在開(kāi)發(fā)精度更高的元件，以滿足這些需求。此類器件具有1 ppm級(jí)精度規(guī)格，用戶無(wú)需進(jìn)一步校準(zhǔn)，而且簡(jiǎn)單易用。然而，在設(shè)計(jì)這一精度級(jí)別的電路時(shí)，必須考慮多種現(xiàn)實(shí)環(huán)境因素和設(shè)計(jì)相關(guān)因素。精密電路性能的成功與否取決于對(duì)這些因素的考慮和理解是否到位，取決于選擇正確的元件。

　　附錄

　　圖8所示為一種典型的現(xiàn)代1 ppm DAC解決方案的功能框圖。電路核心由兩個(gè)16 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成——一個(gè)主DAC和一個(gè)輔助DAC——其輸出經(jīng)縮放和組合后產(chǎn)生更高的分辨率。主DAC輸出與經(jīng)衰減的輔助DAC輸出相加，使輔助DAC填補(bǔ)主DAC LSB步長(zhǎng)之間的分辨率間隙。

　　圖8. 分立1 ppm DAC解決方案。

　　組合后的DAC輸出需要為單調(diào)性，但線性度無(wú)需極高，因?yàn)楦咝阅苁峭ㄟ^(guò)精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器的恒定電壓反饋取得的，該轉(zhuǎn)換器校正固有的元件誤差；電路精度受ADC的限制而不受限于DAC。然而，由于恒定電壓反饋的要求以及不可避免的環(huán)路延遲，這種解決方案速度較慢，建立時(shí)間達(dá)數(shù)秒。

　　盡管這種電路能夠并且經(jīng)努力可以取得1 ppm的精度，但設(shè)計(jì)難度較大，很可能需要重復(fù)設(shè)計(jì)多次，而且需要通過(guò)軟件引擎和精密ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精度。為了保證1 ppm的精度，ADC還需進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)槟壳笆袌?chǎng)上還沒(méi)有保證1 ppm線性度的ADC。圖8所示簡(jiǎn)圖只是概念的展示，真實(shí)的電路要復(fù)雜得多，涉及多個(gè)增益、衰減和求和級(jí)，包括多個(gè)元件。同時(shí)還需要復(fù)雜的數(shù)字電路，以方便DAC與ADC之間的接口，更不用說(shuō)用于誤差校正的軟件了。