20位DAC是精度為1ppm的精密電壓源中最簡單的部分

高分辨率數(shù)模轉換器（DAC）的常見用途是提供可控的精密電壓。分辨率高達 20 位、精度高達 1 ppm 和合理速度的 DAC 應用包括醫(yī)療 MRI 系統(tǒng)中的梯度線圈控制;測試和測量中的精密直流電源;質譜和氣相色譜中的精確設定點和位置控制;以及科學應用中的放大器。

隨著時間的推移，隨著半導體處理和片上校準技術的進步，精密集成電路DAC的定義發(fā)生了迅速變化。曾經，高精度12位DAC被認為難以實現(xiàn);近年來，16位精度已廣泛用于精密醫(yī)療、儀器儀表以及測試和測量應用;在未來，控制和儀表系統(tǒng)需要更高的分辨率和精度。

集成電路的高精度應用現(xiàn)在需要18位和20位、精度為1ppm的數(shù)模轉換器，而以前只有笨重、昂貴且速度慢的開爾文-瓦雷分頻器才能達到這一性能水平，這是標準實驗室的專利，幾乎不適合現(xiàn)場的儀器儀表系統(tǒng)。使用IC DAC組件的更方便的基于半導體的1ppm精度解決方案已經存在了好幾年;但是這些復雜的系統(tǒng)使用許多設備，需要頻繁校準和非常小心才能達到精度，并且既笨重又昂貴（見附錄）。精密儀器市場長期以來一直需要一種更簡單、更具成本效益的DAC，該DAC不需要校準或持續(xù)監(jiān)控，易于使用，并提供有保證的規(guī)格。從16位和18位單芯片轉換器的自然演變——這樣的DAC現(xiàn)已成為現(xiàn)實。

AD5791 1ppm DAC

半導體處理、DAC 架構設計和快速片上校準技術的進步使高度線性、穩(wěn)定、快速建立的數(shù)模轉換器成為可能，這些轉換器可提供優(yōu)于 1 ppm 的相對精度、0.05 ppm/°C 的溫度漂移、0.1 ppm 的 p-p 噪聲、優(yōu)于 1 ppm 的長期穩(wěn)定性和 1 MHz 的吞吐量。這些小型單芯片器件具有有保證的規(guī)格，不需要校準，并且易于使用。AD5791及其配套基準電壓源和輸出緩沖器的典型功能圖如圖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)模轉換器，具有1 LSB（最低有效位）積分非線性（INL）和差分非線性（DNL）特性，是全球首款單芯片、精度為1 ppm的數(shù)模轉換器（1位時20 LSB是220= 1，048，576 分之一 = 1 ppm）。它專為高精度儀器儀表以及測試和測量系統(tǒng)而設計，與其他解決方案相比，它在全方位性能方面實現(xiàn)了重大飛躍，在更小的空間和更低的成本下提供了更高水平的精度和可重復性，允許以前在經濟上不可行的儀器應用。

其設計如圖2所示，采用精密電壓模式R-2R架構，利用最先進的薄膜電阻匹配技術，并采用片上校準程序來實現(xiàn)1 ppm的精度水平。由于該器件經過工廠校準，因此不需要運行時校準程序，因此其延遲不超過100 ns，因此AD5791可用于波形生成應用和快速控制環(huán)路。

圖2.DAC梯形結構。

除了令人印象深刻的線性度外，AD5791還具有9 nV/√Hz噪聲密度、0.6 Hz至0 Hz頻段內1.10 μV峰峰值噪聲、0.05 ppm/°C溫度漂移以及優(yōu)于0.1 ppm的1000小時長期穩(wěn)定性。

該器件是一款高壓器件，采用高達 ±16.5 V 的雙電源供電。輸出電壓范圍由施加的正基準電壓和負基準電壓設置，V參考文獻和V參考資料，提供靈活的輸出范圍選擇。

AD5791的精密架構需要高性能外部放大器來緩沖基準電壓源免受3.4 kΩ DAC電阻的影響，并促進基準輸入引腳的力檢測，以確保AD5791的1 ppm線性度。負載驅動需要一個輸出緩沖器來減輕AD3的4.5791 kΩ輸出阻抗的負擔，除非驅動非常高阻抗、低電容負載，或者衰減是可容忍和可預測的。

由于放大器是外部的，因此可以根據應用需求選擇它們來優(yōu)化噪聲、溫度漂移和速度，并且可以調整比例因子。對于基準電壓緩沖器，推薦使用雙通道放大器AD8676，因為它具有低噪聲、低失調誤差、低失調誤差漂移和低輸入偏置電流?；鶞孰妷壕彌_器的輸入偏置電流規(guī)格非常重要，因為過大的偏置電流會降低直流線性度。積分非線性度的下降（以ppm為單位）作為輸入偏置電流的函數(shù)，通常為：

哪里我偏見在 nA 中;V參考文獻和V參考資料 以伏特為單位。例如，對于±10 V基準輸入范圍，100 nA的輸入偏置電流將使INL增加0.05 ppm。

對輸出緩沖器的關鍵要求與基準電壓緩沖器相似，但偏置電流除外，偏置電流不會影響AD5791的線性度。但是，失調電壓和輸入偏置電流會影響輸出失調電壓。為保持直流精度，建議將AD8675用作輸出緩沖器。高吞吐量應用需要具有更高壓擺率的快速輸出緩沖放大器。

表 1.精密放大器主要規(guī)格

AD5791可縮短設計時間，降低設計風險，降低成本，減小電路板尺寸，提高可靠性，并保證規(guī)格。

圖3是將AD5791 （U1）作為精密數(shù)字控制1 ppm電壓源的電路原理圖，采用AD10 （U20）作為基準電壓緩沖器，AD8676 （U2）作為輸出緩沖器，以8675 μV為增量，范圍為±3 V。絕對精度由選擇外部10 V基準電壓源決定。

圖3.采用AD1數(shù)模轉換器的5791 ppm精度系統(tǒng)。

績效衡量標準

該電路的重要衡量標準是積分非線性、差分非線性和0.1 Hz至10 Hz峰峰值噪聲。圖4顯示，典型的INL在±0.6 LSB以內。

圖4.積分非線性圖。

圖5顯示了±0.5 LSB的典型DNL;在整個位轉換范圍內保證輸出單調。

圖5.微分非線性圖。

0.1 Hz至10 Hz帶寬內的峰峰值噪聲約為700 nV，如圖6所示。

圖6.低頻噪聲。

AD5791只是一個開始：

1ppm 電路復雜性

盡管市場上有AD1等精密低于5791 ppm的元件，但構建1 ppm系統(tǒng)并不是一項不應掉以輕心或倉促完成的任務。必須仔細考慮以這種精度級別顯示的錯誤源。1ppm精度電路誤差的主要因素是噪聲、溫度漂移、熱電電壓和物理應力。應遵循精密電路構建技術，以盡量減少這些誤差在整個電路中的耦合和傳播以及外部干擾的引入。這里將簡要總結這些考慮因素。更多信息可以在參考資料中找到。

噪聲

當以 1 ppm 的分辨率和精度運行時，將噪聲水平降至最低至關重要。AD5791的噪聲頻譜密度為9 nV/√Hz，主要來自3.4 kΩ DAC電阻的約翰遜噪聲。所有外圍組件應具有較小的噪聲貢獻，以最大程度地減少系統(tǒng)噪聲水平的增加。電阻值應小于DAC電阻，以確保其約翰遜噪聲貢獻不會顯著增加總噪聲水平?；鶞孰妷壕彌_器AD8676和輸出緩沖器AD8675的額定噪聲密度為2.8 nV/√Hz，遠低于DAC的貢獻。

使用簡單的R-C濾波器可以相對容易地消除高頻噪聲，但是在不影響直流精度的情況下，無法輕松濾除1.0 Hz至1 Hz范圍內的低頻10/f噪聲。最小化1/f噪聲的最有效方法是確保它永遠不會引入電路中。AD5791在0.6 Hz至0 Hz帶寬內產生約1.10 μV p-p噪聲，遠低于1 LSB電平（±1 V輸出范圍為19 LSB = 10 μV）。整個電路中最大1/f噪聲的目標應約為0.1 LSB或2 μV;這可以通過適當?shù)慕M件選擇來確保。電路中的放大器產生0.1μV p-p 1/f噪聲;信號鏈中的三個放大器在電路輸出端產生總計約0.2μV峰峰值的噪聲。將此值與AD0的6.5791 μV p-p相加，總預期1/f噪聲約為0.8 μV p-p，該數(shù)字與圖5所示測量值密切相關。這為可能添加的其他電路（如放大器、電阻和基準電壓源）提供了足夠的裕量。

除了隨機噪聲外，避免由輻射、傳導和感應電氣干擾引起的誤差也很重要。屏蔽、防護、嚴格注意接地和正確的印刷電路板布線技術等技術勢在必行。

溫度漂移

與所有精密電路一樣，所有元件隨溫度的漂移是誤差的主要來源。盡可能降低漂移的關鍵是選擇溫度系數(shù)低于1 ppm的關鍵元件。AD5791具有極低的0.05 ppm/°C溫度系數(shù)?；鶞孰妷壕彌_器AD8676的漂移為0.6 μV/°C，電路總增益漂移為0.03 ppm/°C;AD8675輸出緩沖器進一步產生0.03 ppm/°C的輸出漂移;這一切加起來就是0.11 ppm/°C。 低漂移、熱匹配電阻網絡應用于縮放和增益電路。建議使用 300144Z 和 300145Z 系列的 Vishay 塊狀金屬箔分壓器電阻器，其電阻跟蹤溫度系數(shù)為 0.1 ppm/°C。

熱電電壓

熱電電壓是塞貝克效應的結果：在不同的金屬結處產生與溫度相關的電壓。根據結的金屬成分，產生的電壓可以在0.2 μV/°C至1 mV/°C之間。 最好的情況是銅對銅結，將產生小于0.2 μV/°C的熱電電動勢。在最壞的情況下，銅-銅氧化物可產生高達1 mV/°C的熱電電壓。這種對微小溫度波動的敏感性意味著附近的耗散元件或穿過印刷電路板（PCB）的緩慢移動的氣流會產生不同的溫度梯度，進而產生不同的熱電電壓，表現(xiàn)為類似于低頻1/f噪聲的低頻漂移。通過確保系統(tǒng)中沒有不同的結和/或消除熱梯度，可以避免熱電電壓。雖然消除不同的金屬結幾乎是不可能的——IC封裝、PCB電路、布線和連接器中存在許多不同的金屬——但保持所有連接清潔和無氧化物將大大有助于保持低熱電電壓。封閉電路以屏蔽電路免受氣流的影響將是一種有效的熱電電壓穩(wěn)定方法，并且可以具有提供電氣屏蔽的附加值。圖7顯示了對氣流開放的電路和封閉電路之間的電壓漂移差異。

圖7.開放式和封閉式系統(tǒng)的電壓漂移與時間的關系。

為了抵消熱電電壓，可以在電路中引入補償結，這是一項涉及大量反復試驗和迭代測試的任務，以確保插入結的正確配對和位置。到目前為止，最有效的方法是通過最小化信號路徑中的元件數(shù)量并穩(wěn)定局部和環(huán)境溫度來減少電路中的結點數(shù)量。

身體壓力

高精度模擬半導體器件對其封裝上的應力很敏感。封裝內使用的應力消除化合物具有沉降作用，但它們無法補償由于當?shù)貋碓粗苯邮┘釉诜庋b上的壓力（例如PCB彎曲）而產生的巨大應力。印刷電路板越大，封裝可能承受的壓力就越大，因此敏感電路應放置在盡可能小的電路板上，并通過柔性或非剛性連接器連接到較大的系統(tǒng)。如果無法避免大電路板，則應在敏感元件周圍，在元件的兩側或（最好）三面進行應力消除切割，從而大大減少由于電路板彎曲而對元件的應力。

長期穩(wěn)定性

在噪聲和溫度漂移之后，長期穩(wěn)定性值得考慮。精密模擬IC是非常穩(wěn)定的器件，但確實會經歷與年齡相關的長期變化。AD5791在0°C下的長期穩(wěn)定性通常優(yōu)于1.1000 ppm/125小時。 老化不是累積的，而是遵循平方根規(guī)則（如果設備老化為 1 ppm/1000 小時，則老化時間為 √2 ppm/2000 小時，√3 ppm/3000 小時，...），溫度每降低 10°C，時間通常延長 25 倍;因此，在 85°C 操作時，預計在 0，1 小時（大約 10 周）內老化 000.60 ppm。如果外推，預計 0 年內的老化為 32.10 ppm，因此在 0°C 下工作時，數(shù)據手冊中的直流規(guī)格在 32 年內可能會漂移 10.85 ppm。

電路建設與布局

在如此高精度的電路中，仔細考慮電源和接地回路布局有助于確保額定性能。設計PCB時，使模擬和數(shù)字部分分開并限制在電路板的不同區(qū)域。如果DAC位于多個設備需要模數(shù)接地連接的系統(tǒng)中，則僅在一個點建立連接。建立盡可能靠近設備的星點接地。每個電源端子上應有足夠的10 μF旁路和0.1 μF并聯(lián)電源，盡可能靠近封裝，理想情況下正靠器件。10μF 電容器應為鉭磁珠型。0.1μF 電容器應具有低有效串聯(lián)電阻 （ESR） 和低有效串聯(lián)電感 （ESL），例如常見的多層陶瓷類型，以提供高頻接地的低阻抗路徑，以處理內部邏輯開關引起的瞬態(tài)電流。每條電源線上的串聯(lián)鐵氧體磁珠將進一步幫助阻止高頻噪聲進入器件。

電源走線應盡可能大，以提供低阻抗路徑并減少電源線路上毛刺的影響。用數(shù)字地屏蔽時鐘等快速開關信號，以避免噪聲輻射到電路板的其他部分。它們絕不應在參考輸入附近或封裝下方運行。必須將基準輸入端的噪聲降至最低，因為它直接耦合到DAC輸出。避免數(shù)字和模擬信號交叉，并在電路板的相對兩側以直角運行走線，以減少饋通對電路板的影響。

電壓基準

將整個電路的性能牢牢掌握在掌握范圍內的是外部基準電壓源;其噪聲和溫度系數(shù)直接影響系統(tǒng)的絕對精度。為了充分利用1 ppm數(shù)模轉換器AD5791帶來的挑戰(zhàn)，基準電壓源和相關元件的溫度漂移和噪聲規(guī)格應與DAC相當。雖然溫度漂移為0.05 ppm/°C的基準電壓源簡直是幻想，但確實存在1 ppm/°C和2 ppm/°C基準電壓源，其0.1 Hz至10 Hz噪聲小于1 μV p-p。

結論

隨著精密儀器以及測試和測量應用的精度要求的提高，人們正在開發(fā)更精確的組件來滿足這些需求。它們保證了 1ppm 級別的精度規(guī)格，無需用戶進一步校準，并且易于使用。然而，在設計這種精度水平的電路時，必須牢記存在的許多環(huán)境和設計相關挑戰(zhàn)。成功的精密電路性能將取決于考慮和理解這些挑戰(zhàn)并做出正確的組件選擇。

審核編輯：郭婷