高精密電壓源

在今天的"組合參考電路"系列文章中，我們將介紹一款同時(shí)運(yùn)用ADI/LTC產(chǎn)品的超高精度可編程電壓源。AD5791同LTZ1000, ADA4077、 AD8675/AD8676一起，可用來實(shí)現(xiàn)一種1 ppm分辨率、 1 ppm INL、長(zhǎng)期漂移優(yōu)于1 ppm FSR的可編程電壓源。這一強(qiáng)大組合有助于向放射科醫(yī)生提供其需要的出色圖像清晰度、分辨率和對(duì)比度，使他們能看見更小的解剖結(jié)構(gòu)。想想將其應(yīng)用于MRI（磁共振成像）會(huì)有何等重要意義。通過更清晰的器官和軟組織圖像，醫(yī)療專業(yè)人員將能更準(zhǔn)確地探知心臟問題、腫瘤、囊腫和身體各部分中的異常。這只是該可編程電壓源的諸多應(yīng)用之一。

圖1. 可編程電壓源

其他要求1 ppm精度的應(yīng)用：

科研、醫(yī)療和航空航天儀器儀表

醫(yī)療成像系統(tǒng)

激光定位器

振動(dòng)系統(tǒng)

測(cè)試與測(cè)量

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)

質(zhì)譜測(cè)定

信號(hào)源測(cè)量單元(SMU)

數(shù)據(jù)采集/分析儀

工業(yè)自動(dòng)化

半導(dǎo)體制造

過程自動(dòng)化

電源控制

高級(jí)機(jī)器人

對(duì)于測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)，1 ppm分辨率和精度可改善測(cè)試設(shè)備的整體精度和粒度，從而更精密地控制和激勵(lì)外部信號(hào)源及納米執(zhí)行器。在工業(yè)自動(dòng)化中，1 ppm分辨率和精度可提供執(zhí)行器移動(dòng)、轉(zhuǎn)向或定位所需的納米級(jí)精度水平。

AD5791

AD5791是一款20位、無緩沖電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有1 ppm相對(duì)精度(1 LSB INL)和1 LSB DNL（保證單調(diào)性）。它提供引入注目的0.05 ppm/°C溫度漂移、0.1 ppm p-p噪聲和優(yōu)于1 ppm的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。AD5791包含一個(gè)精密R-2R結(jié)構(gòu)，其利用先進(jìn)的薄膜電阻匹配技術(shù)。該器件采用最高33 V的雙極性電源供電，可由5 V至VDD–2.5 V的正基準(zhǔn)電壓和VSS +2.5 V至0 V的負(fù)基準(zhǔn)電壓驅(qū)動(dòng)。AD5791使用多功能3線串行接口，工作時(shí)鐘速率最高可達(dá)35 MHz，兼容標(biāo)準(zhǔn)SPI、QSPI?、MICROWIRE?和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)。AD5791提供20引腳TSSOP封裝。

圖2. AD95791 DAC梯形結(jié)構(gòu)

LTZ1000

LTZ1000是一款超穩(wěn)定的溫度可控基準(zhǔn)電壓源，提供7.2 V輸出，具有出色的1.2 μV p-p噪聲、2 μV/√kHr長(zhǎng)期穩(wěn)定性和0.05 ppm/°C溫度漂移。該器件內(nèi)置嵌入式齊納基準(zhǔn)電壓源、用于提高溫度穩(wěn)定性的加熱電阻以及溫度檢測(cè)電阻。利用外部元件設(shè)置工作電流并穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓源溫度，從而實(shí)現(xiàn)較大靈活性、優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性和噪聲性能。

圖3. LTZ1000原理示意圖

ADA4077

ADA4077是一款高精度低噪聲運(yùn)算放大器，具有超低的失調(diào)電壓和極低的輸入偏置電流。與結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管放大器不同，其低偏置和失調(diào)電流對(duì)環(huán)境溫度相對(duì)不敏感，即使環(huán)境溫度達(dá)到125°C，該特性仍然保持穩(wěn)定。使用1000 pF以上容性負(fù)載時(shí)輸出穩(wěn)定，無需外部補(bǔ)償。

AD8675/AD8676

AD8675/AD8676是精密軌到軌運(yùn)算放大器，具有超低失調(diào)、漂移和電壓噪聲，而且輸入偏置電流在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)均非常低。

一些電路考慮事項(xiàng)

噪聲

低頻噪聲必須保持較小，以免影響電路的直流性能。在0.1 Hz至10 Hz帶寬，AD5791產(chǎn)生大約0.6 μV p-p噪聲，每個(gè)ADA4077產(chǎn)生0.25 μV p-p噪聲，AD8675產(chǎn)生0.1 μV p-p噪聲，LTZ1000產(chǎn)生1.2 μVp-p噪聲。選擇適當(dāng)?shù)碾娮柚担_保其約翰遜噪聲不會(huì)大幅提高總噪聲水平。

AD5791基準(zhǔn)電壓緩沖器配置

用于驅(qū)動(dòng)AD5791的REFP和REFN引腳的基準(zhǔn)電壓緩沖器必須配置為單位增益。任何經(jīng)過增益設(shè)置電阻流入基準(zhǔn)電壓檢測(cè)引腳的額外電流，都會(huì)降低DAC精度。

AD5791 INL靈敏度

AD5791 INL性能對(duì)用作基準(zhǔn)電壓緩沖器的放大器的輸入偏置電流有輕微的敏感性。因此，所選的放大器應(yīng)具有低輸入偏置電流。

溫度漂移

為使整個(gè)系統(tǒng)保持較低的溫度漂移系數(shù)，選擇的各元件必須具有低溫漂(TC)。AD5791的TC為0.05 ppm FSR/°C，LTZ1000的TC為0.05 ppm/°C，ADA4077和AD8675分別貢獻(xiàn)0.005 ppm FSR/°C和0.01ppm FSR/°C。

長(zhǎng)期漂移

長(zhǎng)期漂移是另一個(gè)可能給系統(tǒng)精度造成顯著影響的重要參數(shù)。125°C時(shí)，AD5791的長(zhǎng)期穩(wěn)定性典型值優(yōu)于0.1 ppm/1000小時(shí)。LTZ1000可以實(shí)現(xiàn)每月大約1 μV的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖4. 典型器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，從時(shí)間 = 0開始，無預(yù)調(diào)理或老化

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

INL誤差在室溫下于實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量，以代碼步進(jìn) = 5將AD5791的輸入碼從零電平改變到滿量程。利用一個(gè)8.5位DVM記錄輸出緩沖器(AD8675)在每個(gè)碼的輸出電壓。結(jié)果完全在±1 LSB額定值范圍內(nèi)。

圖5. 高精密電壓源在室溫下的INL誤差

噪聲

中間電平時(shí)測(cè)得的噪聲為1.1 μV p-p，滿量程時(shí)測(cè)得的噪聲為3.7 μV p-p。選擇中間電平代碼時(shí)，DAC會(huì)衰減來自各基準(zhǔn)電壓路徑的噪聲貢獻(xiàn)，因此中間電平代碼對(duì)應(yīng)的噪聲指數(shù)較低。

圖6. 0.1 Hz至10 Hz帶寬中的電壓噪聲

長(zhǎng)期漂移

系統(tǒng)長(zhǎng)期漂移在25°C時(shí)測(cè)量。AD5791設(shè)置為5 V（?量程），在1000小時(shí)內(nèi)每隔30分鐘測(cè)量一次輸出電壓。觀測(cè)到的漂移值小于1 ppm FSR。

圖7. VOUT漂移(ppm FSR)

結(jié)論

除了簡(jiǎn)單易用以外，AD5791還提供1 ppm的保證精度。但是，選擇正確的元件和基準(zhǔn)電壓源對(duì)充分利用AD5791的精度特性至關(guān)重要。LTZ1000、ADA4077、AD8676和AD8675的低噪聲、低溫度漂移、低長(zhǎng)期漂移和高精度特性，可改善系統(tǒng)隨溫度和時(shí)間的精度、穩(wěn)定性及可重復(fù)性。

圖8. 帶LTZ1000基準(zhǔn)電壓板的EVAL-AD5791SDZ

審核編輯：郭婷