CN0318 16位、線性、超穩(wěn)定、低噪聲、雙極性、±10 V直流電壓源

CN0318 AD5760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。如圖1所示，帶有放大器輸入偏 置補(bǔ)償?shù)膯挝辉鲆婺Ｊ娇捎糜趯ΨQ或非對稱輸出范圍—— 在VREFP和VREFN端施加所需基準(zhǔn)電壓即可。將AD5760內(nèi)部 控制寄存器的RBUF位設(shè)為邏輯1，即可選定這些單位增益 模式。增益2配置可在單端基準(zhǔn)電壓源輸入需要對稱輸出 范圍時(shí)使用(VREFN = 0 V)。將AD5760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。 如有需要，可使用雙通道AD8676代替兩個(gè)運(yùn)算放大器 AD8675。 圖1所示電路基于真16位、無緩沖電壓輸出DAC AD5760采用最高33 V雙極性電源供電。AD5760的正基準(zhǔn)電壓輸入范圍為5 V至VDD ? 2.5 V，負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入范圍為VSS + 2.5 V至0 V，相對精度最大值為±0.5 LSB，保證工作單調(diào)性，差分非線性(DNL)最大值為±0.5 LSB。AD5760輸出噪聲為8 nV/√Hz，還具有極高的長期線性誤差穩(wěn)定性(0.00625 LSB)。 圖1顯示AD5760配置為帶有放大器輸入偏置電流補(bǔ)償?shù)膯挝辉鲆婺Ｊ?，可產(chǎn)生對稱的雙極性輸出電壓范圍。此工作模式采用外部輸出運(yùn)算放大器和片內(nèi)電阻(參見AD5760數(shù)據(jù)手冊)來提供輸入偏置電流補(bǔ)償。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。 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，0.1 μV p-p，0.1 Hz至10 Hz)特性，是AD5760的最佳輸出緩沖器。AD5760具有兩個(gè)內(nèi)部匹配的6.8 kΩ前饋和反饋電阻，它們既可以連接到運(yùn)算放大器AD8675以提供10 V失調(diào)電壓，從而實(shí)現(xiàn)±10 V輸出擺幅，也可以并行連接以提供偏置電流消除功能。本例顯示±10 V雙 極性輸出，電阻用于偏置電流消除功能。內(nèi)部電阻連接通過設(shè)置AD5760控制寄存器中的相關(guān)位來控制(參見AD5760數(shù)據(jù)手冊)。 ADR4550是高精度基準(zhǔn)電壓源，提供出色的溫度穩(wěn)定性(最 大值2 ppm/°C，B級)和超低輸出電壓噪聲(2.8 μV p-p，0.1 Hz至10 Hz)。這些特性使其成為AD5760的理想基準(zhǔn)電壓源。 為了獲得±10 V輸出電壓范圍，使用AD8675和AD8676 (雙通 道AD8675)將ADR4550的+5 V基準(zhǔn)電壓放大至±10 V(如圖1所示)。 輸出緩沖器同樣采用AD8675，它具有低噪聲和低漂移特性。此放大器與AD8676(AD8675的雙通道版本)共同將低噪聲ADR4550的+5 V基準(zhǔn)電壓分別放大至+10 V和-10 V。此增益電路中的R1、R2、R3和R4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。R6和C4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。 如有需要，可使用單個(gè)雙通道放大器AD8676代替電路中的兩個(gè)運(yùn)算放大器AD8675。然而，EVAL-AD5760SDZ板設(shè)計(jì)用于提供輸出級靈活性，因此本例中選擇兩個(gè)運(yùn)算放大器AD8675。 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。 線性度測量 利用Agilent 3458A萬用表，在EVAL-AD5760評估板上演示圖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± 0.5 LSB的規(guī)格范圍內(nèi)。 圖3顯示差分非線性與DAC代碼具有函數(shù)關(guān)系，且位于±0.5LSB的規(guī)格范圍內(nèi)。 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 ? 噪聲漂移測量 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16位分辨率和+10 V單極性電壓范圍為152 μV，而對于20 V峰峰值電壓范圍則為305 μV。 實(shí)際應(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直流的頻率；因此，測得的峰峰值噪聲對于+10 V單極性電壓范圍如圖4所示，而對于±10 V雙極性電壓范圍則如圖5所示。兩種情況下，電路輸出端的噪聲是在100秒內(nèi)測得的，測量充分涵蓋低至0.01 Hz的頻率。 圖4顯示10 V輸出范圍內(nèi)的信號鏈噪聲性能(1 LSB = 152 μV)。將AD5760的VREFN輸入接地即可得到10 V范圍。 圖4. 使用ADR4550基準(zhǔn)電壓源和10 V峰峰值單極性輸出電壓范圍，100秒內(nèi)測得的DAC輸出電壓噪聲：滿量程(藍(lán)色)、中間電平(綠色)和零電平(紅色) ? 圖4中10 V范圍的峰峰值輸出噪聲總結(jié)如下： 零電平 = 0.96 μV p-p = 0.006 LSB p-p 中間電平 = 7.46 μV p-p = 0.05 LSB p-p 滿量程 = 12.88 μV p-p = 0.08 LSB p-p 零電平輸出電壓的噪聲最低，此時(shí)噪聲僅來自DAC內(nèi)核，這僅僅是由于VREFN輸入接地。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)。 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2 ppm/°C。 圖5顯示20 V輸出范圍內(nèi)的信號鏈噪聲性能(1 LSB = 305 μV)。 圖5. 使用ADR4550基準(zhǔn)電壓源和20 V峰峰值雙極性輸出電壓范圍，100秒內(nèi)測得的DAC輸出電壓噪聲：滿量程(藍(lán)色)、中間電平(綠色)和零電平(紅色) ? 圖5中20 V范圍的峰峰值噪聲總結(jié)如下： 零電平 = 18 μV p-p = 0.06 LSB p-p 中間電平 = 2.47 μV p-p = 0.008 LSB p-p 滿量程 = 9.22 μV p-p = 0.03 LSB p-p 中間電平時(shí)具有最低的噪聲，因?yàn)镈AC內(nèi)核在該電平位置具有針對基準(zhǔn)電壓源的最大衰減。 零電平時(shí)的噪聲大于滿量程時(shí)的噪聲，因?yàn)樨?fù)基準(zhǔn)電壓通過額外的緩沖器級。 欲查看完整原理圖和印刷電路板的布局，請參見CN-0318設(shè)計(jì)支持包：www.analog.com/CN0318-DesignSupport. 設(shè)備要求 系統(tǒng)演示平臺(tái)(EVAL-SDP-CB1Z) EVAL-AD5760SDZ評估板和軟件 Agilent 3458A萬用表 PC(Windows 32位或64位操作系統(tǒng)) National Instruments GPIB轉(zhuǎn)USB-B接口電纜 SMB電纜(1) Software Installation AD5760評估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該 軟件兼容Windows XP (SP2)和Vista(32位和64位)。如果安裝 文件未自動(dòng)運(yùn)行，可以運(yùn)行光盤中的setup.exe文件。完整 的硬件和軟件設(shè)置步驟請參見用戶指南UG-436。 請先安裝評估軟件，再將評估板和SDP板連接到PC的USB 端口，確保PC能夠正確識(shí)別評估系統(tǒng)。 光盤文件安裝完畢后，按照用戶指南UG-436中的描 述為AD5760評估板接通電源。將SDP板(通過連接器A或連接器B)連接到AD5760評估板，然后利用附送的 電纜連接到PC的USB端口。 檢測到評估系統(tǒng)后，確認(rèn)出現(xiàn)的所有對話框。這樣 就完成了安裝。 功能框圖 測試配置的功能框圖如圖7所示。 電源 必須提供下列外部電源： AD5760的數(shù)字電源：在連接器J1的VCC與DGND輸 入之間提供3.3 V電源。 或者將鏈路1放在位置A，以便從USB端口通過SDP板 為數(shù)字電路供電(默認(rèn)設(shè)置)。 AD5760的正模擬電源：在J2的VDD與AGND輸入之 間提供+12 V至+16.5 V的電源。 ? 圖6. 評估軟件主窗口 ? 圖7. 測試設(shè)置功能框圖 ? 默認(rèn)鏈路選項(xiàng)設(shè)置 默認(rèn)鏈路選項(xiàng)如表1所示。該板的默認(rèn)配置為：VREFP = +10 V， VREFN= ?10 V，輸出范圍為±10 V。 表1. 默認(rèn)鏈路選項(xiàng) 鏈路編號 選項(xiàng) ?LK1 ?A ?LK2 ?B ?LK3 ?A ?LK4 ?已移除 ?LK5 ?已移除 ?LK6 ?已移除 ?LK7 ?已移除 ?LK8 ?C ?LK9 ?已插入 ?LK11 ?已插入 要將該板配置為圖1所示電路，必須對表1中的默認(rèn)鏈路配 置進(jìn)行如下改動(dòng)： 將LK3放在位置B 插入LK4 將LK8放在位置C。 這些改動(dòng)將輸出緩沖放大器的增益配置為1，并補(bǔ)償放大 器輸入偏置電流。欲了解有關(guān)EVAL-AD5760SDZ測試設(shè)置 的更多信息，請參閱用戶指南UG-436。 測試 VOUT_BUF SMB連接器連接到Agilent 3458A萬用表。線性 度測量利用AD5760 GUI上的"測量DAC輸出"選項(xiàng)卡進(jìn)行。 T噪聲漂移測量也是在VOUT_BUF SMB連接器上進(jìn)行。輸出 電壓利用AD5760 GUI上的"設(shè)置電壓"選項(xiàng)卡進(jìn)行。峰峰值 噪聲漂移的測量時(shí)間為100秒。 量數(shù)據(jù)計(jì)算INL、DNL和噪聲，請參閱AD5760數(shù)據(jù)手冊和以 下文獻(xiàn)： 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換手冊第5章"測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器"，ADI公司 CN0318 16位、線性、超穩(wěn)定、低噪聲、雙極性、±10 V直流電壓源 圖1所示電路是一個(gè)16位、超穩(wěn)定、低噪聲、精密、雙極 性、±10 V電壓源，僅需搭配最少數(shù)量的精密外部元件。 AD5760電壓輸出DAC(B級)的積分非線性(INL)最大值為 ±0.5 LSB，差分非線性(DNL)最大值為±0.5 LSB。 完整系統(tǒng)具有低于0.1 LSB的峰峰值噪聲和漂移，以100秒時(shí) 間間隔進(jìn)行測量。該電路適用于醫(yī)療儀器、測試和測量， 以及需要精密低漂移電壓源的工業(yè)控制應(yīng)用中。 圖1. 16位精密±10 V電壓源(原理示意圖：未顯示所有連接和去耦) ? cn0318 CN0318 | circuit note and reference circuit info 16位、線性、超穩(wěn)定、低噪聲、雙極性、±10 V直流電壓源 | Analog Devices 圖1所示電路是一個(gè)16位、超穩(wěn)定、低噪聲、精密、雙極 性、±10 V電壓源，僅需搭配最少數(shù)量的精密外部元件。

AD5760電壓輸出DAC(B級)的積分非線性(INL)最大值為 ±0.5

• 雙極性±10V直流電壓源
• 16位分辨率
• 低噪聲

(analog)