【導讀】本文介紹了一種用于實現超高精度電壓源的電路。這種電路將兩個20位DAC并聯，構建出一個具有±1 LSB精度（或0.5 ppm）的21位DAC。此外，完整的解決方案還需要配備與DAC性能相匹配的精密運算放大器和基準電壓源。本文展示了在選擇組件以實現超高精度時的完整問題解決思路。由于在處理21位DAC時，熱效應和電磁干擾可能會導致精度問題，因此這兩個因素也在考慮范圍之內。
引言
如今，先進的數模轉換器(DAC)的最高分辨率為20位。對于一些需要更高精度的應用，如醫療成像或質譜測定等，這是一個限制因素。在受控環境中將高性能元件組合到一起，可以克服這一限制。換言之，整體解決方案所能實現的精度，取決于電路中各元件所構成的信號鏈，以及這些元件在電路板上的布局。
本文所示的電路展示了如何組合高性能元件才能保持各個元件的精度，以實現高精度電壓源。此電路將AD5791與LTZ1000及AD8675/AD8676搭配使用，在21位精度下實現1 LSB INL。這一精度能令眾多應用領域受益。例如，使用這種高精度電壓源的醫療設備能夠生成小型解剖結構的清晰圖像。此外，這種電路還可以用于制造更準確的測試測量設備，從而有助于生產出準確度更高的工業產品。這種超高精度電壓源的應用范圍十分廣泛，能夠突破現有半導體產品的精度瓶頸，為新產品研發提供關鍵技術支撐。
需要21位1 LSB或0.5 ppm INL精度的應用包括：科研、醫療和航空航天儀器儀表
醫療成像系統
激光定位器
振動系統
測試與測量
自動測試設備(ATE)
質譜測定
源表(SMU)
數據采集/分析儀
工業自動化
半導體制造
過程自動化
電源控制
高級機器人
在測試與測量系統中，AD5791具備的0.5 ppm分辨率和精度能夠提升整體設備的準確性與精細度，從而實現對外部信號源和納米執行器更精細的控制與激勵。在工業自動化中，0.5 ppm分辨率和精度可提供執行器移動、轉向或定位所需的納米級精度水平。
AD5791是一款單通道、20位、雙極性輸出、無緩沖的電壓輸出DAC。它實現了±1 LSB的相對精度指標(INL)，并且能在±1 LSB微分非線性(DNL)條件下保持單調工作。其他重要參數包括：0.05 ppm/°C的溫度漂移、0.1 ppm的峰峰值噪聲，以及優于1 ppm的長期穩定性。這款IC的內部架構是一個采用薄膜電阻匹配技術制成的R-2R數模轉換器。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的正基準電壓和VSS 2.5 V至0 V的負基準電壓驅動。它配備多功能3線串行接口，工作時鐘速率最高可達35 MHz，兼容標準SPI、QSPI?、MICROWIRE?和DSP接口標準。
LTZ1000是一款超穩定的溫度可控基準電壓源，提供7.2 V輸出，具有出色的1.2 μV p-p噪聲、2 μV/√kHr長期穩定性和0.05 ppm/℃溫度漂移。該器件內置深埋型齊納二極管基準電壓源、用于提高溫度穩定性的加熱電阻，以及溫度檢測電阻。外部元件用于設置工作電流和溫度，以使基準電壓源穩定，從而提供最大的靈活性，并確保最佳的長期穩定性和噪聲性能。這款經過溫度穩定處理的基準電壓源，幾乎不受外部溫度變化的影響。
對于運算放大器而言，需要的是具有低失調、低噪聲和低漂移特性的運算放大器。之所以選擇AD8675/AD8676運算放大器，是因為它們具備精準的軌到軌能力，其特點包括：超低的12 μV的失調電壓、0.6 μV/°C的漂移、在 1 kHz頻率下2.8 nV/√Hz的電壓噪聲，以及在整個工作溫度范圍內僅 2 nA的輸入偏置電流。
基于電阻分壓器原理，可利用20位DAC實現21位DAC功能。AD5791的輸出阻抗為 3.4 kΩ。當兩個此類IC的輸出端連接在一起時，等效電路就變成了一個電阻分壓器。當兩個DAC之間的代碼差值為一個LSB時，DAC電阻分壓器的輸出電壓將是該電壓差值的一半，相當于半個LSB。換句話說，通過將兩個20位DAC的輸出端并聯，這種配置能夠得到一個等效的21位DAC。互連圖如圖1所示。將基準電壓VREP和VREFN分別設置為+10 V和-10 V，則VOUT的輸出電壓范圍就可以編程為該電壓范圍內的任意電壓值。
在本文所展示的測量過程中，使用的硬件連接了兩塊現成的AD5791評估板（訂購信息為EVAL-AD5791）。這兩塊評估板共用同一個基準電壓源，即LTZ1000模塊，該模塊僅安裝在其中一塊評估板上。兩塊評估板之間的基準電壓連接是通過三根雙絞線來實現的。此外，還使用了一根額外的導線來連接兩個DAC的輸出端。本文所展示的性能還可以得到進一步提升，方法是將兩個AD5791 DAC安裝在同一塊電路板上，并利用經過優化的PCB走線來確保各組件之間的短距離連接。
圖1.兩個ADC5791 DAC的輸出連接。
在線性度數據采集過程中，低頻段（低于1 MHz）的外部輻射噪聲對結果產生了影響。這種噪聲主要是因為用于測試的評估板距離電源及附近其他儀器較近。為了降低這種噪聲的影響，所有硬件都被放置在一個能夠阻擋電磁場(EMF)的屏蔽箱內，從而有效地使被測硬件免受外部輻射噪聲的干擾。使用的屏蔽箱如圖2所示。
圖2.測試中所用的EMF屏蔽箱。
環境溫度波動是影響測量準確性的關鍵因素之一。若基準電壓源無法在恒溫條件下工作，其輸出穩定性將大打折扣。而LTZ1000有效解決了這一問題。該基準電壓源內部集成了一個電阻，通過搭配外部元件并利用反饋回路，能夠精確調節芯片溫度。器件內部溫度始終保持恒定，有效避免了外部環境溫度波動對電壓輸出穩定性造成干擾。
電源等有源元件，可能會導致電源軌的輸出電壓發生變化，進而影響DAC的輸出電壓。電源電壓變化對輸出電壓的影響體現在DAC的DCPSRR規格中。用于基準電壓和輸出緩沖的運算放大器也表現出溫度相關性。
對于高精度應用而言，電阻選型需格外謹慎。選擇具有低溫漂的電阻十分重要，理想情況下其溫漂應在0.01%左右。并且，在可能的情況下，應使系統在恒定溫度下運行，以盡量減小電阻的變化。
由于溫漂，基準電壓IC的外部溫度變化會導致輸出電壓成比例地波動。這些波動對積分非線性(INL)的影響如圖3所示。該INL圖是在室溫下使用ADR445基準電壓源且未使用電磁場屏蔽箱的情況下得到的。在用于測試的電路板上，包含了典型溫漂為3 ppm/K的電阻。在INL中觀察到的跳躍現象，歸因于室內溫度的變化，比如室內人數的變動或空調系統的循環運行。測量過程持續了大約24小時。
圖3.使用ADR445基準電壓的INL圖。
為了在測試過程中盡量減少溫度變化，可以采用一些方法，比如使用溫度控制設備，確保在整個測試期間溫度保持穩定。為了保持測試的簡便性，在測試期間，之前用于使評估板免受外部輻射電磁噪聲干擾的電磁場屏蔽箱，也被用來維持相對穩定的溫度。經計算，評估板的功耗低于0.5 W，這使得在整個測試期間，EMF屏蔽箱內部的溫度范圍保持在25°C至30°C之間。
在明確了所有可能影響信號鏈DAC輸出電壓的因素后，下一步便是對兩個DAC進行編程，以有效實現21位DAC的功能。從數字層面來看，在處理給定的21位代碼時，需要將該DAC代碼拆分為兩部分。若原始代碼為偶數，那么做除法運算后的余數為零。若原始的21位代碼為奇數，那么做除法運算后的余數為1。這種情況下，應對其中一個DAC按照除法運算的結果進行編程，而另一個DAC則按照拆分后的代碼加1進行編程。表1顯示了一個示例。
表1.獲取21位代碼示例
通過細分AD5791的LSB大小，這一概念還可以進一步拓展。例如，要實現一個22位DAC，需將四個DAC的輸出端并聯起來。從性能方面考慮，主要的關注點在于噪聲問題，尤其是在20 V的電壓范圍下，其LSB大小僅為4.77 μV。本文尚未在這一水平上進行相關測量。為了評估這種電路，有必要制作一塊專門安裝有四個DAC的電路板。
結果
圖4展示了為實現21位INL精度而連接的兩個AD5791 DAC的INL性能。結果表明，INL低于±1 LSB，這也是本次實驗的目標。這些結果是在受控的溫度條件下獲得的，整個裝置都被置于一個EMF屏蔽箱內。
圖4.21位INL圖。
圖5展示了21位配置下的DNL，證明了其單調性。DNL結果呈現出離散數字的有效DNL代碼。考慮到21位配置的LSB大小僅為9.53 μV，這種情況可歸因于所使用的數字電壓表(DVM)的局限性。
圖5.21位DNL圖。
這些結果是通過使用3458A數字電壓表、八位半電壓表以及一個標準的實驗室電源得出的。電壓測量的時間窗口設定為20 ms，這與測量所在地歐洲的市電50 Hz頻率相對應。
結論
將兩個AD5791型20位DAC組合起來，能夠實現具有1 LSB INL的21位DAC性能。然而，重要的是要關注整個信號鏈，從而盡量減少精度誤差。此外，諸如溫度和電磁干擾等外部因素也會影響系統的輸出。
對于后續工作，建議在印刷電路板(PCB)上搭建這種電路，以增強信號完整性，并將外部噪聲耦合降至最低。除了進行INL和DNL測量之外，還建議測量諸如噪聲系數等其他參數，以便更全面地剖析系統性能特性。為便于開展這些工作，建議使用一塊新的專用PCB。
作者簡介
Justo Lapiedra是一名應用工程師，在半導體行業擁有超過20年的從業經驗。他畢業于瓦倫西亞大學，獲得了物理學學位。目前，Justo就職于精密轉換器部門，專注于數模轉換器方面的工作。他在西班牙瓦倫西亞的ADI辦事處工作。
