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(zhuǎn)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(yīng)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(zhì)譜和氣相色譜中的精確設(shè)定點和位置控制;以及科學(xué)應(yīng)用中的放大器。

隨著時間的推移，隨著半導(dǎo)體處理和片上校準(zhǔn)技術(shù)的進步，精密集成電路DAC的定義發(fā)生了迅速變化。曾經(jīng)，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(yīng)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(yīng)用現(xiàn)在需要18位和20位、精度為1ppm的數(shù)模轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)體的1ppm精度解決方案已經(jīng)存在了好幾年;但是這些復(fù)雜的系統(tǒng)使用許多設(shè)備，需要頻繁校準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhuǎn)換器的自然演變——這樣的DAC現(xiàn)已成為現(xiàn)實。

AD5791 1ppm DAC

半導(dǎo)體處理、DAC 架構(gòu)設(shè)計和快速片上校準(zhǔn)技術(shù)的進步使高度線性、穩(wěn)定、快速建立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器成為可能，這些轉(zhuǎn)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(zhǔn)，并且易于使用。AD5791及其配套基準(zhǔn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器（20位時1 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(shè)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(fù)性，允許以前在經(jīng)濟上不可行的儀器應(yīng)用。

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

圖2.DAC梯形結(jié)構(gòu)。

除了令人印象深刻的線性度外，AD5791還具有9 nV/√Hz噪聲密度、0.1 Hz至10 Hz頻段內(nèi)0.6 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(zhǔn)電壓和負基準(zhǔn)電壓設(shè)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(gòu)需要高性能外部放大器來緩沖基準(zhǔn)電壓源免受3.4 kΩ DAC電阻的影響，并促進基準(zhǔn)輸入引腳的力檢測，以確保AD5791的1 ppm線性度。負載驅(qū)動需要一個輸出緩沖器來減輕AD5791的3.4 kΩ輸出阻抗的負擔(dān)，除非驅(qū)動非常高阻抗、低電容負載，或者衰減是可容忍和可預(yù)測的。

由于放大器是外部的，因此可以根據(jù)應(yīng)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(diào)整比例因子。對于基準(zhǔn)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(diào)誤差、低失調(diào)誤差漂移和低輸入偏置電流?；鶞?zhǔn)電壓緩沖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(zhǔn)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(guān)鍵要求與基準(zhǔn)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(diào)電壓和輸入偏置電流會影響輸出失調(diào)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(yīng)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(shè)計時間，降低設(shè)計風(fēng)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AD8676 （U2）作為基準(zhǔn)電壓緩沖器，AD8675 （U3）作為輸出緩沖器，以20 μV為增量，范圍為±10 V。絕對精度由選擇外部10 V基準(zhǔn)電壓源決定。

圖3.采用AD5791數(shù)模轉(zhuǎn)換器的1 ppm精度系統(tǒng)。

績效衡量標(biāo)準(zhǔn)

該電路的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)。

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(zhuǎn)換范圍內(nèi)保證輸出單調(diào)。

圖5.微分非線性圖。

0.1 Hz至10 Hz帶寬內(nèi)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(fù)雜性

盡管市場上有AD5791等精密低于1 ppm的元件，但構(gòu)建1 ppm系統(tǒng)并不是一項不應(yīng)掉以輕心或倉促完成的任務(wù)。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(yīng)力。應(yīng)遵循精密電路構(gòu)建技術(shù)，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(jié)這些考慮因素。更多信息可以在參考資料中找到。

噪聲

當(dāng)以 1 ppm 的分辨率和精度運行時，將噪聲水平降至最低至關(guān)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(yīng)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(yīng)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?zhǔn)電壓緩沖器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0.1 Hz至10 Hz范圍內(nèi)的低頻1/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0.1 Hz至10 Hz帶寬內(nèi)產(chǎn)生約0.6 μV p-p噪聲，遠低于1 LSB電平（±10 V輸出范圍為1 LSB = 19 μV）。整個電路中最大1/f噪聲的目標(biāo)應(yīng)約為0.1 LSB或2 μV;這可以通過適當(dāng)?shù)慕M件選擇來確保。電路中的放大器產(chǎn)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(chǎn)生總計約0.2μV峰峰值的噪聲。將此值與AD5791的0.6 μV p-p相加，總預(yù)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(guān)。這為可能添加的其他電路（如放大器、電阻和基準(zhǔn)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(dǎo)和感應(yīng)電氣干擾引起的誤差也很重要。屏蔽、防護、嚴(yán)格注意接地和正確的印刷電路板布線技術(shù)等技術(shù)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(guān)鍵是選擇溫度系數(shù)低于1 ppm的關(guān)鍵元件。AD5791具有極低的0.05 ppm/°C溫度系數(shù)?；鶞?zhǔn)電壓緩沖器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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(yīng)的結(jié)果：在不同的金屬結(jié)處產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電壓。根據(jù)結(jié)的金屬成分，產(chǎn)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(jié)，將產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生不同的溫度梯度，進而產(chǎn)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(jié)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(jié)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(guān)系。

為了抵消熱電電壓，可以在電路中引入補償結(jié)，這是一項涉及大量反復(fù)試驗和迭代測試的任務(wù)，以確保插入結(jié)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(jié)點數(shù)量。

身體壓力

高精度模擬半導(dǎo)體器件對其封裝上的應(yīng)力很敏感。封裝內(nèi)使用的應(yīng)力消除化合物具有沉降作用，但它們無法補償由于當(dāng)?shù)貋碓粗苯邮┘釉诜庋b上的壓力（例如PCB彎曲）而產(chǎn)生的巨大應(yīng)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(yīng)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(yīng)在敏感元件周圍，在元件的兩側(cè)或（最好）三面進行應(yīng)力消除切割，從而大大減少由于電路板彎曲而對元件的應(yīng)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(jīng)歷與年齡相關(guān)的長期變化。AD5791在125°C下的長期穩(wěn)定性通常優(yōu)于0.1 ppm/1000小時。 老化不是累積的，而是遵循平方根規(guī)則（如果設(shè)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 25°C，時間通常延長 10 倍;因此，在 85°C 操作時，預(yù)計在 10，000 小時（大約 60 周）內(nèi)老化 0.1 ppm。如果外推，預(yù)計 10 年內(nèi)的老化為 0.32 ppm，因此在 85°C 下工作時，數(shù)據(jù)手冊中的直流規(guī)格在 10 年內(nèi)可能會漂移 0.32 ppm。

電路建設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備的星點接地。每個電源端子上應(yīng)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(yīng)為鉭磁珠型。0.1μF 電容器應(yīng)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(nèi)部邏輯開關(guān)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(yīng)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(guān)信號，以避免噪聲輻射到電路板的其他部分。它們絕不應(yīng)在參考輸入附近或封裝下方運行。必須將基準(zhǔn)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(cè)以直角運行走線，以減少饋通對電路板的影響。

電壓基準(zhǔn)

將整個電路的性能牢牢掌握在掌握范圍內(nèi)的是外部基準(zhǔn)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(zhuǎn)換器AD5791帶來的挑戰(zhàn)，基準(zhǔn)電壓源和相關(guān)元件的溫度漂移和噪聲規(guī)格應(yīng)與DAC相當(dāng)。雖然溫度漂移為0.05 ppm/°C的基準(zhǔn)電壓源簡直是幻想，但確實存在1 ppm/°C和2 ppm/°C基準(zhǔn)電壓源，其0.1 Hz至10 Hz噪聲小于1 μV p-p。

結(jié)論

隨著精密儀器以及測試和測量應(yīng)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(zhǔn)，并且易于使用。然而，在設(shè)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(shè)計相關(guān)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