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用 20 位 DAC 实现 1 ppm
精度 - 精密电压源
作者:Maurice Egan
简介
高分辨率数模转换器(DAC)的常见用途之一是提供可控精密电
压。分辨率高达20位、精度达1 ppm且具有合理速率的DAC的
应用范围包括医疗MRI系统中的梯度线圈控制、测试和计量中
的精密直流源、质谱测定和气谱分析中的精密定点和位置控制
以及科学应用中的光束检测。
随着时间的推移,半导体处理和片内校准技术的发展,关于精
密集成电路 DAC 的定义也不断变化。高精度 12 位 DAC 一度
被认为遥不可及;近年来,16 位精度已日益在精密医学、仪
器仪表、测试和计量应用中得到广泛运用;在未来,控制系统
和仪器仪表系统甚至需要更高的分辨率和精度。
高精密应用目前要求 18/20 位、1 ppm精度数模转换器,以前
只有笨重、昂贵、慢速的Kelvin-Varley分压器才能达到这一性
能水平 - 属于标准实验室的专利,几乎不适用于现实仪器仪表
系统。针对这类要求且采用IC DAC组件,更便利的半导体 1
ppm 精度解决方案已推出数年,但此类复杂系统需要使用多
种器件,需要不断进行校准,还需十分谨慎才可取得理想精度,
而且体积大、成本高(见附录)。长久以来,精密仪器仪表市
场都需要一种更简单,具有成本优势,无需校准或持续监控,
简单易用,而且提供保证性能规格的DAC。目前,从 16 位和
18 位单芯片转换器(如DAC)自然升级已成为可能。
AD5791 1 ppm DAC
半导体处理技术、DAC架构设计和快速片内校准技术的发展使
稳定、建立时间短的高线性度数模转换器成为可能。这种转换
器可提供高优于1 ppm的相对精度、0.05 ppm/°C温度漂移、0.1
ppm p-p噪声、优于1 ppm的长期稳定性和1MHz吞吐量。这类
小型单芯片器件保证性能规格,无需校准且简单易用。AD5791
及其配套基准电压源和输出缓冲的典型功能框图如图1所示。
VREFP
SPI
器件设计用于高精密仪器仪表以及测试和计量系统,与其他解
决方案相比,其整体性能有较大提升,具有更高的精度、体积
更小、成本更低,使以前不具经济可行性的仪器仪表应用成为
可能。
其设计(如图 2 所示)采用精密电压模式 R-2R 架构,利用了
最新的薄膜电阻匹配技术,并通过片内校准例程来实现 1 ppm
精度。由于 AD5791 采用工厂校准模式,因而运行时无需校准
程序,其延迟不超过 100 ns,可用于波形生成应用及快速控制
环路。
R
2R
R
R
VOUT
2R
2R
2R
2R
2R
2R
S0
S1
S13
E62
E61
E0
VREFPF
VREFPS
VREFNF
VREFNS
14-BIT
R-2R LADDER
6 MSBs DECODED INTO
63 EQUAL SEGMENTS
图 2. DAC 梯形结构。
AD5791 不但提供出色的线性度,而且可具有 9 nV/√Hz 噪声
密度、
0.1 Hz 至 10 Hz 频带内 0.6 μV 峰峰值噪声、
0.05 ppm/°C
温度漂移,且其 1000 小时长期稳定性优于 0.1 ppm。
作为一种高电压器件,采用双电源供电,最高±16.5 V。输出
电压范围由正负基准电压 VREFP 和 VREFN 决定,提供了灵活
的输出范围选择。
AD5791 所用精密架构要求使用高性能外置放大器来缓冲来
自 3.4 kΩ DAC 电阻的基准源,为基准输入引脚的加载感应提
供方便,以确保 AD5791 的 1 ppm 线性度。AD5791 需要一
个输出缓冲来驱动负载,以减轻 3.4 kΩ 输出阻抗的负担 - 除
非驱动的是一个极高阻抗、低电容负载 - 或者衰减处于容限
之内并可预测。
由于放大器为外置型,可根据噪声、温度漂移和速度的优化
需要进行选择 - 并可调整比例因子 - 具体视应用需要而定。
对于基准缓冲,建议采用AD8676双通道放大器,其具有低噪
声、低失调误差、低失调误差漂移和低输入偏置电流的特点。
基准缓冲的输入偏置电流特性非常重要,因为过大的偏置电
流会降低直流线性度。积分非线性度的降低(单位:ppm)为
输入偏置电流的函数,一般表示为:
AD5791
1ppm DAC
VOUT
其中,IBIAS 单位为 nA;VREFP 和 VREFN 的单位均为伏特。例
如,对于±10 V 的基准输入范围,100 nA 的输入偏置电流将使
INL 提高 0.05 ppm。
VREFN
图 1. AD5791 典型工作框图。
AD5791是一款单芯片、20 位、电压输出数模转换器,具有额
定的 1 LSB(最低有效位)积分非线性度(INL)和微分非线性度
(DNL),是业界首款单芯片 1 ppm 精度的数模转换器(1
[email protected] 位为 220 分之一 =1,048,576 分之一 = 1 ppm)。该
Analog Dialogue 44-04
输出缓冲的主要要求与基准缓冲相似 - 唯一例外是偏置电
流,因为它不影响AD5791 的线性度。但失调电压和输入偏置
电流可能会影响到输出失调电压。为了维持直流精度,建议
将AD8675用作输出缓冲。高吞吐量应用要求使用较高压摆率
的快速输出缓冲放大器。
www.analog.com/analogdialogue
1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
–0.1
–0.2
–0.3
–0.4
–0.5
–0.6
–0.7
–0.8
–0.9
–1.0
表 1 列出了少数适用精密放大器的关键技术规格。
DNL ERROR (LSB)
AD5791 具有设计时间更短、设计风险更小、成本更低、电路
板尺寸更小、可靠性更高和保证性能规格的特点。
图 3 是一种电路示意图,其中以 AD5791 (U1)作为精密数控 1
ppm 电压源,电压范围为±10 V,
增量为 20 μV;
以 AD8676 (U2)
作为基准缓冲;以 AD8675 (U3)作为输出缓冲。绝对精度取决
于外置 10 V 基准电压源的选择。
性能测量
0
该电路的重要指标是积分非线性度、微分非线性度和 0.1 Hz
至 10 Hz 峰峰值噪声。图 4 显示,典型 INL 处于±0.6 LSB 之
内。
600,000
800,000
1,000,000
图 5. 微分非线性度坐标图。
0.1 Hz 至 10 Hz 带宽内的峰峰值噪声约为 700 nV,如图 6 所
示。
0.8
0.6
500
0.4
400
0.2
300
0
NOISE VOLTAGE (nV)
INL ERROR (LSB)
400,000
DAC CODE
1.0
–0.2
–0.4
–0.6
–0.8
–1.0
200,000
200
100
0
–100
0
200,000
400,000
600,000
800,000
1,000,000
–200
DAC CODE
图 4. 积分非线性度坐标图。
–300
0
2
4
6
8
10
TIME (Seconds)
图 5 所示典型 DNL 为±0.5 LSB;在整个位跃迁范围内,输出
均可保证单调性。
图 6. 低频噪声。
表 1. 精密放大器的关键技术规格
型号
噪声频谱密度
1/f 噪声
失调电压误差
失调电压误差漂移
输入偏置电流
压摆率
(nV/√Hz)
(μV p-p - 0.1 Hz 至 10 Hz)
(μV)
(μV/°C)
(nA)
(V/μs)
AD8675/AD8676
2.8
0.1
10
0.2
0.5
2.5
ADA4004-1
1.8
0.1
40
0.7
40
2.7
ADA4898-1
0.9
0.5
20
0.1
100
55
U2-B
AD8676
6
5
7
V+
2
U2-A
AD8676
AGND
L3
C17
10¿F 600±
U3
AD8675
C18
0.1¿F
–15V
VSS
C18
VDD 0.1¿F
VOUT
6
V–
4
C14
0.1¿F
C15
10¿F
NOTE
1. L1, L2, AND L3 ARE FERRITE BEADS,
WITH 600± IMPEDANCE AT 100MHz.
VSS
VSS
18
VREFNS
17
3
C13
10¿F
C3
0.1¿F
C4
10¿F
VSS
VDD
2
3
–10V REFERENCE
VDD 5
VREFPS 3
VREFPF 4
VREFNF
16
AGND
1
15
DGND
SYNC
VOUT 2
SCLK
SDIN
U1
INV 1
SDO AD5791
LDAC
CLR
RFB 20
RESET
19
14
13
12
11
8
7
6
C12 +
0.1¿F
C16
0.1¿F
+
SYNC
SCLK
SDIN
SDO
LDAC
CLR
RESET
VDD
+15V
+
C2,0.1¿F
VCC 10
IOVCC 9
C1,10¿F
VDD
+ C6
10¿F
+
C5
0.1¿F
7
L1
600±
+
DGND
C17
10¿F
+
+10V REFERENCE
+3.3V
L2
600±
VSS
C7 +
C9
10¿F
0.1¿F
C8
0.1¿F
C11
0.1¿F
C10 +
10¿F
8
V+
V–
4
U2
SUPPLY
PINS
图 3. 采用 AD5791 数模转换器的 1 ppm 精度系统。
2
Analog Dialogue 44-04
尽管 AD5791 一类的精密次 1 ppm 元件已上市,
但构建 1 ppm
系统并非易事,不能草率对待。必须全面考虑在这个精度级别
出现的误差源。1 ppm 精度电路中的主要误差源为噪声、温度
漂移、热电电压和物理应力。应遵循精密电路的构建技术,以
尽量降低此类误差在整个电路中的耦合和传播效应,避免产生
外部干扰。下面将简要总结这些考虑因素。更多详情请参阅参
考文献。
噪声
工作于 1 ppm 分辨率和精度时,必须将噪声降至最低水平。
AD5791 的噪声频谱密度为 9 nV/√Hz,主要源于 3.4 kΩ DAC
电阻的约翰逊噪声。为了尽量避免增加系统噪声,必须将所有
外设的噪声贡献降至最低。电阻值应低于 DAC 电阻,以确保
其约翰逊噪声贡献不会大幅提高方和根总体噪声水平。
AD8676 基准缓冲和 AD8675 输出缓冲额定噪声密度为 2.8
nV/√Hz,远远低于 DAC 的噪声贡献。
通过简单的 R-C 滤波器,即可相对简单地消除高频噪声,但
0.1 Hz 至 10 Hz 范围内的 1/f 噪声却很难在不影响直流精度的
情况下滤除。降低 1/f 噪声最有效的方法是避免其进入电路之
中。AD5791 在 0.1 Hz 至 10 Hz 带宽下产生约 0.6 μV 峰峰值
噪声,远低于 1 LSB(输出范围为±10 V 时,1 LSB = 19 μV)。
在整个电路中,1/f 最大噪声的目标值应为 0.1 LSB 或 2 μV 左
右,通过选择合适的元件即可达到此目标。电路中的放大器产
生 0.1 μV 峰峰值 1/f 噪声;信号链中的三个放大器在电路输出
端共产生约 0.2 μV 峰峰值噪声。加上来自 AD5791 的 0.6 μV
峰峰值噪声,预计总 1/f 噪声约为 0.8 μV 峰峰值,该值与图 5
所示测量值紧密相关。这为可能增加的其他电路(如放大器、
电阻和基准电压源)等留出了充足的余量。
除随机噪声以外,还须避免由辐射、传导和感应电干扰导致的
误差。必须采用屏蔽、防护、谨慎接地、正确的印刷电路板布
线等技术。
温度漂移
与所有精密电路一样,所有元件的温度漂移是主要误差源之
一。减少漂移的关键是选择次 1 ppm 温度系数的重要元件。
AD5791 具有极低的温度系数,为 0.05 ppm/°C。AD8676 基
准缓冲的漂移系数为 0.6 μV/°C,总共会向电路中增加 0.03
ppm/°C 的增益漂移;AD8675 输出缓冲会再贡献 0.03 ppm/°C
的输出漂移;相加后为 0.11 ppm/°C。缩放和增益电路中应使
用低漂移、热匹配电阻网络。建议使用 Vishay 体金属薄膜分
压器电阻系列 300144Z 和 300145Z,其电阻跟踪温度系数为
0.1 ppm/°C。
热电电压
热电电压是 Seebeck 效应造成的结果:相异金属结处产生与温
度有关的电压。根据结处的金属元件,结果产生的电压位于 0.2
μV/°C 至 1 mV/°C 之间。最好的情况是铜铜结,产生的热电
EMF 不到 0.2μV/°C。在最糟糕的情况下,铜铜氧化物结可产
Analog Dialogue 44-04
生最大 1 mV/°C 的热电电压。对小幅温度波动的这种灵敏度意
味着,附近的耗能元件或跨越印刷电路板(PCB)的低速气流可
能产生不同的温度梯度,结果产生不同的热电电压,而这种电
压又表现为与低频 1/f 噪声相似的低频漂移。可通过消除系统
中的相异结和/或消除热梯度来避免热电电压。虽然消除相异金
属结几乎不可能 - IC 封装、PCB 电路、布线和连接器中存在
多种不同的金属 - 但使所有连接均保持整洁,消除氧化物,这
种方法可以有效地减少热电电压。屏蔽电路使其不受气流影
响,是一种有效的热电电压稳定方法,而且具有电屏蔽的增值
作用。图 7 展示了开放式电路与封闭式电路在电压漂移上的差
异。
1.0
0.8
0.6
0.4
VOLTAGE (¿V)
AD5791 仅仅是个开始:
1 ppm 电路的复杂性
CIRCUIT IN FREE AIR
0.2
0
–0.2
–0.4
CIRCUIT ENCLOSED
–0.6
–0.8
–1.0
0
50
100
150
200
250
300
350
TIME (Seconds)
图 7. 开放式系统和封闭式系统的电压漂移与时间关系。
为了消除热电电压,可在电路中增加补偿结,但必须进行大量
的试验和重复测试,以确保插入结配对正确、位置无误。截至
目前,最高效的方法是减少信号路径中的元件数,稳定局部温
度和环境温度,从而减少电路中的结。
物理应力
高精模拟半导体器件对其封装承受的应力非常敏感。封装中的
应力消除填充物具有一定的作用,但无法补偿因 PCB 变形等
局部应力源在封装上直接产生的压力带来的较大应力。印刷电
路板越大,封装可能承受的应力越大,因此即使在小型电路板
上也应安装敏感电路 - 通过柔性或非刚性连接器与大系统相
连。如果必须使用较大电路板,则应在敏感元件周围,在元件
两面或(最好)三面割些应力消除切口,可极大地减少因电路
板弯曲给元件带来的应力。
长期稳定性
在考虑噪声和温度漂移的基础上,还需考虑长期稳定性。精密
模拟 IC 虽然非常稳定,但确实会发生长期老化变化。AD5791
在 125°C 的长期稳定性一般好于 0.1 ppm/1000 小时。虽然老
化不具累积性质,但遵循平方根规则(若某个器件的老化速度
为 1 ppm/1000 小时,为√2 ppm/2000 小时,为√3 ppm/3000
小时等等)。一般地,温度每降低 25°C,时间就会延长 10 倍;
因此,当工作温度为 85°C 时,在 10000 小时的期间(约 60
星期),预计老化为 0.1 ppm。以此外推,在 10 年期间,预
计老化为 0.32 ppm。即是说,当工作温度为 85°C 时,在 10
年期间,数据手册直流规格可能漂移 0.32 ppm。
3
电路构建和布局
在注重精度的电路中,精心考虑电源和接地回路布局有助于确
保达到额定性能。在设计 PCB 时,应采用模拟部分与数字部
分相分离的设计,并限制在电路板的不同区域内。如果 DAC
所在系统中有多个器件要求模数接地连接,则只能在一个点上
进行连接。星形接地点尽可能靠近该器件。必须采用足够大的
10 µF 电源旁路电容,与每个电源引脚上的 0.1 µF 电容并联,
并且尽可能靠近封装,最好是正对着该器件。10 μF 电容应为
钽珠型电容。0.1 µF 电容必须具有低有效串联电阻(ESR)和低
有效串联电感(ESL),如高频时提供低阻抗接地路径的普通多
层陶瓷型电容,以便处理内部逻辑开关所引起的瞬态电流。各
电源线路上若串联一个铁氧体磁珠,则可进一步防止高频噪声
通过器件。
2. Low Level Measurements Handbook. 6th Edition. Keithley.
2004.
http://www.keithley.com/knowledgecenter/knowledgecente
r_pdf/LowLevMsHandbk_1.pdf.
3. MT-031, Grounding Data Converters and Solving the
Mystery of "AGND" and "DGND."
http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-03
1.pdf.
关于作者
Maurice Egan [[email protected]]
是爱尔兰利默里克精密转换器产品技术小组
的一名应用工程师。他于 1998 年加入ADI公
司,拥有爱尔兰利默里克大学电子工程学士学
位。
基准电压源
维持整个电路性能的是外部基准电压源,其噪声和温度系数直
接影响系统的绝对精度。为了充分发挥 1 ppm AD5791 数模转
换器的性能,基准元件和关联元件应具有与 DAC 不相上下的
温度漂移和噪声规格。虽然离温度漂移为 0.05 ppm/°C 的基准
电压源仍相去甚远,但 0.1 Hz 至 10 Hz 范围噪声低于 1 μV p-p
的 1 ppm/°C 和 2 ppm/°C 基准电压源确实存在。
结论
随着精密仪器仪表以及测试和计量应用对精度的要求不断提
高,人们正在开发精度更高的元件,以满足这些需求。此类器
件具有 1 ppm 级精度规格,用户无需进一步校准,而且简单易
用。然而,在设计这一精度级别的电路时,必须考虑多种现实
环境因素和设计相关因素。精密电路性能的成功与否取决于对
这些因素的考虑和理解是否到位,取决于选择正确的元件。
参考文献
(有关全部ADI元件的详细信息,请访问www.analog.com/zh。)
1. "The Long Term Stability of Precision Analog ICs, or How
to Age Gracefully and Avoid Sudden Death." Analog
Devices. Rarely Asked Questions.
http://www.analog.com/zh/analog-microcontrollers/analogmicrocontrollers/products/rarely-asked-questions/RAQ_pr
ecisionAnalogICs/resources/fca.html.
4
附录
图 8 所示为一种典型的现代 1 ppm DAC 解决方案的功能框
图。电路核心由两个 16 位数模转换器构成 - 一个主 DAC
和一个辅助 DAC - 其输出经缩放和组合后产生更高的分辨
率。主 DAC 输出与经衰减的辅助 DAC 输出相加,使辅助
DAC 填补主 DAC LSB 步长之间的分辨率间隙。
ERROR CORRECTING
SOFTWARE ENGINE
电源走线必须尽可能宽,以提供低阻抗路径,并减小电源线路
上的毛刺效应。利用数字地将快速开关信号(如时钟)屏蔽起
来,以避免向电路板上的其他器件辐射噪声,并且不得靠近基
准输入,也不得置于封装之下。基准输入上的噪声必须降至最
低,因为这种噪声会被耦合至 DAC 输出。避免数字信号与模
拟信号交叉,电路板相反两侧上的走线应彼此垂直,以减小电
路板的馈通效应。
16-BIT
MAJOR DAC
16-BIT
MINOR DAC
24-BIT
ADC
ATT
VOUT
图 8. 分立 1 ppm DAC 解决方案。
组合后的 DAC 输出需要为单调性,但线性度无需极高,因
为高性能是通过精密模数转换器的恒定电压反馈取得的,
该转换器校正固有的元件误差;电路精度受 ADC 的限制而
不受限于 DAC。然而,由于恒定电压反馈的要求以及不可
避免的环路延迟,这种解决方案速度较慢,建立时间达数
秒。
尽管这种电路能够并且经努力可以取得 1 ppm 的精度,但
设计难度较大,很可能需要重复设计多次,而且需要通过
软件引擎和精密 ADC 来实现目标精度。为了保证 1 ppm
的精度,ADC 还需进行校准,因为目前市场上还没有保证
1 ppm 线性度的 ADC。图 8 所示简图只是概念的展示,真
实的电路要复杂得多,涉及多个增益、衰减和求和级,包
括多个元件。同时还需要复杂的数字电路,以方便 DAC 与
ADC 之间的接口,更不用说用于误差校正的软件了。
Analog Dialogue 44-04
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