18位、线性、低噪声、精密双极性±10 V直流电压源

电路功能与优势

图1所示电路是一个18位线性、低噪声、精密双极性（±10 V）电压源，所需外部元件的数量极少。AD5780是一款18位、无缓冲电压输出DAC，采用最高33 V的双极性电源供电。正基准电压输入范围为5 V至VDD– 2.5V，负基准电压输入范围为VSS + 2.5 V至0V.两路基准电压输入均在片内缓冲，无需外部缓冲。相对精度最大值为±1 LSB，保证工作单调性，微分非线性（DNL）最大值为±1 LSB.

精密运算放大器AD8675具有低失调电压（最大值75μV）和低噪声（典型值2.8 nV/√Hz）特性，是AD5780的最佳输出缓冲器。AD5780具有两个内部匹配的前馈和反馈电阻，这些电阻连接到运算放大器AD8675，并提供10 V偏移电压。因此，采用单个10 V外部基准电压源时，输出电压摆幅可以达到±10 V.

该电路的数字输入采用串行输入，并与标准SPI、QSPI、MICROWIRE？和DSP接口标准兼容。对于高精度应用，通过结合使用AD5780、ADR445和AD8675等精密器件，这个紧凑的电路可以提供高精度和低噪声性能。

这一器件组合可以提供业界领先的18位分辨率、±1 LSB积分非线性（INL）和±0.75 LSB微分非线性（DNL），可以确保单调性，并且具有低功耗、小尺寸PCB、高性价比等特性，采用LFCSP封装。

图1. 18位精密、±10V电压源（原理示意图：未显示去耦和所有连接）

电路描述

图1所示数模转换器（DAC）为AD5780，这是一款SPI接口的18位高压转换器，提供±1 LSB INL、±0.75 LSB DNL和7.5 nV/√Hz噪声频谱密度。另外，AD5780还具有极低的温漂（0.005 LSB/°C）特性。

在图1中，AD5780配置为增益为2的模式，这样便可以用单基准电压源来产生对称的双极性输出电压范围。此工作模式采用外部运算放大器（A2）和片内电阻（参见AD5780数据手册）来提供2倍的增益。这些内部电阻相互之间以及与DAC梯形电阻之间均热匹配，因而可实现比率热跟踪。输出缓冲器同样采用AD8675，它具有低噪声和低漂移特性。该放大器（A1）还用于将低噪声ADR445的+5 V基准电压放大至+10 V.此增益电路中的R2和R3为精密金属薄片电阻，其容差和温度系数电阻分别为0.01%和0.6 ppm/°C.要在整个温度范围内达到最佳性能，R1和R2应处于单个封装内，如Vishay 300144或VSR144系列。R2和R3均选用1 kΩ，以便将系统噪声保持在较低水平。R1和C1构成低通滤波器，截止频率大约为10 Hz.该滤波器用于衰减基准电压源噪声。

线性度测量

利用Agilent 3458A万用表，在EVAL-AD5780SDZ评估板上演示图1所示电路的精密性能。图2显示积分非线性与DAC代码具有函数关系，且位于±1 LSB的规格范围内。

图2.积分非线性与DAC码的关系

图3显示微分非线性与DAC代码具有函数关系，且位于-0.25 LSB至+0.75 LSB的规格范围内。

图3.微分非线性与DAC码的关系

噪声漂移测量

要实现高精度，电路输出端的峰峰值噪声必须维持在1 LSB以下，对于18位分辨率和20 V峰峰值电压范围则为76.29μV.

实时噪声应用中不会在0.1 Hz处有高通截止频率来衰减1/f噪声，但会在其通带中包含低至DC的频率；因此，测得的峰峰值噪声更为实际，如图4所示。本例中，电路输出端的噪声是在100秒内测得的，测量充分涵盖低至0.01 Hz的频率。截止频率上限大约为14 Hz并受限于测量设置。

图4显示三种条件下的峰峰值：1.2μV（零电平输出）、32μV（中间电平输出）和64μV（满量程输出）。

零电平输出电压的噪声最低，此时噪声仅来自DAC内核。选择零电平码时，DAC会衰减各基准电压路径的噪声贡献。

图4. 100秒内测得的DAC输出电压噪声：满量程（红色）、中间电平（绿色）和零电平（蓝色）

随着测量时间变长，较低频率将包含在内，而峰峰值将变大。频率较低时，温度漂移和热电偶效应会变成误差源。通过选择热系数较小的器件可以将上述效应降至最小。在此电路中，低频1/f噪声的主要来源是基准电压源。另外，基准电压源的温度系数值也是电路中最大的，为3 ppm/°C.为了改善中间电平和满量程DAC输出噪声，需要使用温度控制的超低噪声基准电压源。

图5显示用+5 V Krohn Hite 523型精密基准电压源取代ADR445后的信号链性能。


图5.采用精密基准电压源时，100秒内测得的DAC输出电压噪声：满量程（红色）、中间电平（绿色）和零电平（蓝色）

常见变化

AD5780支持各种不同的输出范围，从0 V至+5 V、最高±10 V以及该范围内的任意值。如果需要对称输出范围，则可以使用增益为2的配置，如图1所示。通过将AD5780内部控制寄存器的RBUF位设为逻辑0，即可选中此模式。如果需要非对称范围，则可以在VREFP和VREFN上施加单独的基准电压源；而输出缓冲器应该如AD5780数据手册中所述配置为提供单位增益。这可以通过将AD5780内部控制寄存器的RBUF位设为逻辑1来实现。

AD8676是运算放大器AD8675的双通道版本，需要时可以用于该电路。