用20位DAC实现1 ppm精度——精密电压源

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　　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。

　　图3.采用AD5791数模转换器的1 ppm精度系统。

　　性能测量

　　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。

　　图4. 积分非线性度坐标图。

　　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。

　　图6. 低频噪声。

　　AD5791仅仅是个开始：

　　1 ppm电路的复杂性

　　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 k? 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。

　　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0.2 μV/°C。在最糟糕的情况下，铜铜氧化物结可产生最大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。

　　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