20位、線性、低噪聲、精密、雙極性±10V直流電壓源(CN0191)

圖1所示電路提供20位可編程電壓，其輸出范圍為?10 V至+10 V ，同時積分非線性為±1 LSB、微分非線性為±1LSB，并且具有低噪聲特性。

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。對于高精度應(yīng)用，通過結(jié)合使用AD5791、AD8675和AD8676等精密器件，該電路可以提供高精度和低噪聲性能。

基準(zhǔn)電壓緩沖對于設(shè)計至關(guān)重要，因?yàn)镈AC基準(zhǔn)輸入的輸入阻抗與碼高度相關(guān)，如果DAC基準(zhǔn)電壓源未經(jīng)充分緩沖，將導(dǎo)致線性誤差。AD8676開環(huán)增益高達(dá)120 dB，已經(jīng)過驗(yàn)證和測試，符合本電路應(yīng)用關(guān)于建立時間、失調(diào)電壓和低阻抗驅(qū)動能力的要求。而AD5791經(jīng)過表征和工廠校準(zhǔn)，可使用雙通道運(yùn)算放大器 AD8676對其基準(zhǔn)電壓輸入進(jìn)行緩沖，從而進(jìn)一步增強(qiáng)配套器件的可靠性。

這一器件組合可以提供業(yè)界領(lǐng)先的20位分辨率、±1 LSB積分非線性(INL)和±1 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和高性價比等特性。

圖1所示數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)為AD5791，這是一種具有SPI接口的20位高壓轉(zhuǎn)換器，提供±1 LSB INL、±1 LSB DNL性能和7.5 nV/√Hz噪聲頻譜密度。另外，，AD5791還具有極低的溫漂 (0.05 ppm/°C)特性。AD5791采用的精密架構(gòu)要求強(qiáng)制檢測緩沖其基準(zhǔn)電壓輸入，從而確保達(dá)到規(guī)定的線性度。選擇用于緩沖基準(zhǔn)輸入的放大器（B1和 B2）應(yīng)具有低噪聲、低溫漂和低輸入偏置電流特性。針對此功能推薦用AD8676放大器，這是一種超精密、36 V、2.8 nV/√Hz雙通道運(yùn)算放大器，具有0.6 μV/°C低失調(diào)漂移和2 nA輸入偏置電流。此外，AD5791經(jīng)過表征和工廠校準(zhǔn)，可使用該雙通道運(yùn)算放大器來緩沖其電壓基準(zhǔn)輸入，從而進(jìn)一步增強(qiáng)配套器件的可靠性。

圖1顯示AD5791配置有獨(dú)立的正和負(fù)基準(zhǔn)電壓，因此輸出電壓范圍是從負(fù)基準(zhǔn)電壓到正基準(zhǔn)電壓，本例中為?10 V到+10 V。輸出緩沖器為AD8675，它是AD8676的單通道版本，具有低噪聲和低漂移特性。同時使用放大器AD8676（A1和A2），將+5 V基準(zhǔn)電壓放大為+10 V和?10 V。這些放大電路中的R2、R3、R4和R5是精密金屬薄膜電阻，容差為0.01%，溫度系數(shù)為0.6 ppm/°C。為實(shí)現(xiàn)整個溫度范圍內(nèi)的最佳性能，可以使用Vishay 300144或VSR144系列等電阻網(wǎng)絡(luò)。所選電阻值較低（1 kΩ和2 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。

線性度測量
下列數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了圖1所示電路的精密性能。圖2和圖3顯示積分非線性和微分非線性與DAC碼的函數(shù)關(guān)系。從圖中可以明顯看出，這兩種特性分別位于±1 LSB和±1 LSB的規(guī)格范圍內(nèi)。

該電路的總非調(diào)整誤差由各種直流誤差共同組成，即INL誤差、零電平誤差和滿量程誤差。圖4所示為總非調(diào)整誤差與DAC碼的關(guān)系圖。最大誤差出現(xiàn)在 DAC碼為0（零電平誤差）和1,048,575（滿量程誤差）處。這與預(yù)期相符，是由電阻對R2和R3、R4和R5的不匹配以及放大器A1、A2、B1 和B2的失調(diào)誤差（見圖1）引起的。

本例中，電阻對的額定不匹配最大值為0.02%（典型值遠(yuǎn)低于此）。放大器失調(diào)誤差為75 μV（最大值）或滿量程范圍的0.000375%，相對于電阻不匹配所導(dǎo)致的誤差可忽略不計。因此，預(yù)期的滿量程和零電平誤差最大值約為0.02%或 210 LSB。圖4顯示實(shí)測滿量程誤差為1 LSB，實(shí)測零電平誤差為4 LSB或滿量程范圍的0.0003%，表明所有器件的性能都明顯優(yōu)于其額定最大容差。

圖2. 積分非線性與DAC碼的關(guān)系

圖3. 微分非線性與DAC碼的關(guān)系

圖4. 總非調(diào)整誤差與DAC碼的關(guān)系

噪聲測量
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，對于20位分辨率和20 V峰峰值電壓范圍則為19.07 μV。圖5所示為10秒內(nèi)在0.1 Hz至10 Hz帶寬內(nèi)測得的峰峰值噪聲。三種條件下的峰峰值分別為1.48 μV（中間電平輸出）、4.66 μV（滿量程輸出）和5.45 μV（零電平輸出）。中間電平輸出的噪聲最低，此時噪聲僅來自DAC內(nèi)核。選擇中間電平碼時，DAC會衰減各基準(zhǔn)電壓路徑的噪聲貢獻(xiàn)。

圖5. 電壓噪聲（0.1 Hz至10 Hz帶寬）

不過，實(shí)際應(yīng)用中不會在0.1 Hz處有高通截止頻率來衰減1/f噪聲，但會在其通帶中包含低至DC的頻率；因此，測得的峰峰值噪聲更為實(shí)際，如圖6所示。本例中，電路輸出端的噪聲是 100秒內(nèi)測得的，測量充分涵蓋低至0.01Hz的頻率。截止頻率上限大約為14 Hz并受限于測量設(shè)置。對于圖6所示的三種條件，對應(yīng)峰峰值分別為4.07 μV（中間電平輸出）、11.85 μV（滿量程輸出）和15.37 μV（零電平輸出）。最差情況下的峰峰值 (15.37 μV)大致相當(dāng)于0.8 LSB。

圖6. 100秒內(nèi)測得的電壓噪聲

隨著測量時間變長，將包括較低頻率，而峰峰值將變大。頻率較低時，溫度漂移和熱電偶效應(yīng)會變成誤差源。通過選擇AD5791、AD8675和AD8676 等熱系數(shù)較低的器件，并仔細(xì)考慮電路結(jié)構(gòu)，可以將這些效應(yīng)降至最低，請參閱“了解更多信息”部分中的鏈接文檔。

AD5791支持各種不同的輸出范圍，從0 V至+5 V、最高±10 V以及該范圍內(nèi)的任意值。根據(jù)需要，圖1所示的配置可以用來產(chǎn)生對稱或非對稱范圍。基準(zhǔn)電壓分別加在VREFP和VREFN，輸出緩沖器應(yīng)按照AD5791數(shù)據(jù)手冊所述配置為單位增益，將AD5791內(nèi)部控制寄存器的RBUF位設(shè)置為邏輯1。

AD5791還提供增益為2的工作模式，可以從一個正基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生對稱的雙極性輸出范圍，如AD5791數(shù)據(jù)手冊所述，從而無需產(chǎn)生負(fù)基準(zhǔn)電壓。然而，這種模式會引起較大的滿量程和零電平誤差。將AD5791內(nèi)部控制寄存器的RBUF位設(shè)為邏輯0，便可選擇這種模式。

圖1所示電路在經(jīng)過修改的AD5791評估板上構(gòu)建。有關(guān)AD5791評估板和測試方法的詳細(xì)信息，參見評估板用戶指南 UG-185。