20位DAC是精度为1ppm的精密电压源中最简单的部分

作者：Maurice Egan

高分辨率数模转换器（DAC）的常见用途是提供可控的精密电压。分辨率高达 20 位、精度高达 1 ppm 和合理速度的 DAC 应用包括医疗 MRI 系统中的梯度线圈控制;测试和测量中的精密直流电源;质谱和气相色谱中的精确设定点和位置控制;以及科学应用中的放大器。

随着时间的推移，随着半导体处理和片上校准技术的进步，精密集成电路DAC的定义发生了迅速变化。曾经，高精度12位DAC被认为难以实现;近年来，16位精度已广泛用于精密医疗、仪器仪表以及测试和测量应用;在未来，控制和仪表系统需要更高的分辨率和精度。

集成电路的高精度应用现在需要18位和20位、精度为1ppm的数模转换器，而以前只有笨重、昂贵且速度慢的开尔文-瓦雷分频器才能达到这一性能水平，这是标准实验室的专利，几乎不适合现场的仪器仪表系统。使用IC DAC组件的更方便的基于半导体的1ppm精度解决方案已经存在了好几年;但是这些复杂的系统使用许多设备，需要频繁校准和非常小心才能达到精度，并且既笨重又昂贵（见附录）。精密仪器市场长期以来一直需要一种更简单、更具成本效益的DAC，该DAC不需要校准或持续监控，易于使用，并提供有保证的规格。从16位和18位单芯片转换器的自然演变——这样的DAC现已成为现实。

AD5791 1ppm DAC

半导体处理、DAC 架构设计和快速片上校准技术的进步使高度线性、稳定、快速建立的数模转换器成为可能，这些转换器可提供优于 1 ppm 的相对精度、0.05 ppm/°C 的温度漂移、0.1 ppm 的 p-p 噪声、优于 1 ppm 的长期稳定性和 1 MHz 的吞吐量。这些小型单芯片器件具有有保证的规格，不需要校准，并且易于使用。AD5791及其配套基准电压源和输出缓冲器的典型功能图如图1所示。

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1 LSB（最低有效位）积分非线性（INL）和差分非线性（DNL）特性，是全球首款单芯片、精度为1 ppm的数模转换器（20位时1 LSB是220= 1，048，576 分之一 = 1 ppm）。它专为高精度仪器仪表以及测试和测量系统而设计，与其他解决方案相比，它在全方位性能方面实现了重大飞跃，在更小的空间和更低的成本下提供了更高水平的精度和可重复性，允许以前在经济上不可行的仪器应用。

其设计如图2所示，采用精密电压模式R-2R架构，利用最先进的薄膜电阻匹配技术，并采用片上校准程序来实现1 ppm的精度水平。由于该器件经过工厂校准，因此不需要运行时校准程序，因此其延迟不超过100 ns，因此AD5791可用于波形生成应用和快速控制环路。

图2.DAC梯形结构。

除了令人印象深刻的线性度外，AD5791还具有9 nV/√Hz噪声密度、0.1 Hz至10 Hz频段内0.6 μV峰峰值噪声、0.05 ppm/°C温度漂移以及优于0.1 ppm的1000小时长期稳定性。

该器件是一款高压器件，采用高达 ±16.5 V 的双电源供电。输出电压范围由施加的正基准电压和负基准电压设置，V参考文献和V参考资料，提供灵活的输出范围选择。

AD5791的精密架构需要高性能外部放大器来缓冲基准电压源免受3.4 kΩ DAC电阻的影响，并促进基准输入引脚的力检测，以确保AD5791的1 ppm线性度。负载驱动需要一个输出缓冲器来减轻AD5791的3.4 kΩ输出阻抗的负担，除非驱动非常高阻抗、低电容负载，或者衰减是可容忍和可预测的。

由于放大器是外部的，因此可以根据应用需求选择它们来优化噪声、温度漂移和速度，并且可以调整比例因子。对于基准电压缓冲器，推荐使用双通道放大器AD8676，因为它具有低噪声、低失调误差、低失调误差漂移和低输入偏置电流。基准电压缓冲器的输入偏置电流规格非常重要，因为过大的偏置电流会降低直流线性度。积分非线性度的下降（以ppm为单位）作为输入偏置电流的函数，通常为：



哪里我偏见在 nA 中;V参考文献和V参考资料 以伏特为单位。例如，对于±10 V基准输入范围，100 nA的输入偏置电流将使INL增加0.05 ppm。

对输出缓冲器的关键要求与基准电压缓冲器相似，但偏置电流除外，偏置电流不会影响AD5791的线性度。但是，失调电压和输入偏置电流会影响输出失调电压。为保持直流精度，建议将AD8675用作输出缓冲器。高吞吐量应用需要具有更高压摆率的快速输出缓冲放大器。

表 1.精密放大器主要规格

AD5791可缩短设计时间，降低设计风险，降低成本，减小电路板尺寸，提高可靠性，并保证规格。

图3是将AD5791 （U1）作为精密数字控制1 ppm电压源的电路原理图，采用AD8676 （U2）作为基准电压缓冲器，AD8675 （U3）作为输出缓冲器，以20 μV为增量，范围为±10 V。绝对精度由选择外部10 V基准电压源决定。

图3.采用AD5791数模转换器的1 ppm精度系统。

绩效衡量标准

该电路的重要衡量标准是积分非线性、差分非线性和0.1 Hz至10 Hz峰峰值噪声。图4显示，典型的INL在±0.6 LSB以内。

图4.积分非线性图。

图5显示了±0.5 LSB的典型DNL;在整个位转换范围内保证输出单调。

图5.微分非线性图。

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只是一个开始：

1ppm 电路复杂性

尽管市场上有AD5791等精密低于1 ppm的元件，但构建1 ppm系统并不是一项不应掉以轻心或仓促完成的任务。必须仔细考虑以这种精度级别显示的错误源。1ppm精度电路误差的主要因素是噪声、温度漂移、热电电压和物理应力。应遵循精密电路构建技术，以尽量减少这些误差在整个电路中的耦合和传播以及外部干扰的引入。这里将简要总结这些考虑因素。更多信息可以在参考资料中找到。

噪声

当以 1 ppm 的分辨率和精度运行时，将噪声水平降至最低至关重要。AD5791的噪声频谱密度为9 nV/√Hz，主要来自3.4 kΩ DAC电阻的约翰逊噪声。所有外围组件应具有较小的噪声贡献，以最大程度地减少系统噪声水平的增加。电阻值应小于DAC电阻，以确保其约翰逊噪声贡献不会显著增加总噪声水平。基准电压缓冲器AD8676和输出缓冲器AD8675的额定噪声密度为2.8 nV/√Hz，远低于DAC的贡献。

使用简单的R-C滤波器可以相对容易地消除高频噪声，但是在不影响直流精度的情况下，无法轻松滤除0.1 Hz至10 Hz范围内的低频1/f噪声。最小化1/f噪声的最有效方法是确保它永远不会引入电路中。AD5791在0.1 Hz至10 Hz带宽内产生约0.6 μV p-p噪声，远低于1 LSB电平（±10 V输出范围为1 LSB = 19 μV）。整个电路中最大1/f噪声的目标应约为0.1 LSB或2 μV;这可以通过适当的组件选择来确保。电路中的放大器产生0.1μV p-p 1/f噪声;信号链中的三个放大器在电路输出端产生总计约0.2μV峰峰值的噪声。将此值与AD5791的0.6 μV p-p相加，总预期1/f噪声约为0.8 μV p-p，该数字与图5所示测量值密切相关。这为可能添加的其他电路（如放大器、电阻和基准电压源）提供了足够的裕量。

除了随机噪声外，避免由辐射、传导和感应电气干扰引起的误差也很重要。屏蔽、防护、严格注意接地和正确的印刷电路板布线技术等技术势在必行。

温度漂移

与所有精密电路一样，所有元件随温度的漂移是误差的主要来源。尽可能降低漂移的关键是选择温度系数低于1 ppm的关键元件。AD5791具有极低的0.05 ppm/°C温度系数。基准电压缓冲器AD8676的漂移为0.6 μV/°C，电路总增益漂移为0.03 ppm/°C;AD8675输出缓冲器进一步产生0.03 ppm/°C的输出漂移;这一切加起来就是0.11 ppm/°C。 低漂移、热匹配电阻网络应用于缩放和增益电路。建议使用 300144Z 和 300145Z 系列的 Vishay 块状金属箔分压器电阻器，其电阻跟踪温度系数为 0.1 ppm/°C。

热电电压

热电电压是塞贝克效应的结果：在不同的金属结处产生与温度相关的电压。根据结的金属成分，产生的电压可以在0.2 μV/°C至1 mV/°C之间。 最好的情况是铜对铜结，将产生小于0.2 μV/°C的热电电动势。在最坏的情况下，铜-铜氧化物可产生高达1 mV/°C的热电电压。这种对微小温度波动的敏感性意味着附近的耗散元件或穿过印刷电路板（PCB）的缓慢移动的气流会产生不同的温度梯度，进而产生不同的热电电压，表现为类似于低频1/f噪声的低频漂移。通过确保系统中没有不同的结和/或消除热梯度，可以避免热电电压。虽然消除不同的金属结几乎是不可能的——IC封装、PCB电路、布线和连接器中存在许多不同的金属——但保持所有连接清洁和无氧化物将大大有助于保持低热电电压。封闭电路以屏蔽电路免受气流的影响将是一种有效的热电电压稳定方法，并且可以具有提供电气屏蔽的附加值。图7显示了对气流开放的电路和封闭电路之间的电压漂移差异。

图7.开放式和封闭式系统的电压漂移与时间的关系。

为了抵消热电电压，可以在电路中引入补偿结，这是一项涉及大量反复试验和迭代测试的任务，以确保插入结的正确配对和位置。到目前为止，最有效的方法是通过最小化信号路径中的元件数量并稳定局部和环境温度来减少电路中的结点数量。

身体压力

高精度模拟半导体器件对其封装上的应力很敏感。封装内使用的应力消除化合物具有沉降作用，但它们无法补偿由于当地来源直接施加在封装上的压力（例如PCB弯曲）而产生的巨大应力。印刷电路板越大，封装可能承受的压力就越大，因此敏感电路应放置在尽可能小的电路板上，并通过柔性或非刚性连接器连接到较大的系统。如果无法避免大电路板，则应在敏感元件周围，在元件的两侧或（最好）三面进行应力消除切割，从而大大减少由于电路板弯曲而对元件的应力。

长期稳定性

在噪声和温度漂移之后，长期稳定性值得考虑。精密模拟IC是非常稳定的器件，但确实会经历与年龄相关的长期变化。AD5791在125°C下的长期稳定性通常优于0.1 ppm/1000小时。 老化不是累积的，而是遵循平方根规则（如果设备老化为 1 ppm/1000 小时，则老化时间为 √2 ppm/2000 小时，√3 ppm/3000 小时，...），温度每降低 25°C，时间通常延长 10 倍;因此，在 85°C 操作时，预计在 10，000 小时（大约 60 周）内老化 0.1 ppm。如果外推，预计 10 年内的老化为 0.32 ppm，因此在 85°C 下工作时，数据手册中的直流规格在 10 年内可能会漂移 0.32 ppm。

电路建设与布局

在如此高精度的电路中，仔细考虑电源和接地回路布局有助于确保额定性能。设计PCB时，使模拟和数字部分分开并限制在电路板的不同区域。如果DAC位于多个设备需要模数接地连接的系统中，则仅在一个点建立连接。建立尽可能靠近设备的星点接地。每个电源端子上应有足够的10 μF旁路和0.1 μF并联电源，尽可能靠近封装，理想情况下正靠器件。10μF 电容器应为钽磁珠型。0.1μF 电容器应具有低有效串联电阻 （ESR） 和低有效串联电感 （ESL），例如常见的多层陶瓷类型，以提供高频接地的低阻抗路径，以处理内部逻辑开关引起的瞬态电流。每条电源线上的串联铁氧体磁珠将进一步帮助阻止高频噪声进入器件。

电源走线应尽可能大，以提供低阻抗路径并减少电源线路上毛刺的影响。用数字地屏蔽时钟等快速开关信号，以避免噪声辐射到电路板的其他部分。它们绝不应在参考输入附近或封装下方运行。必须将基准输入端的噪声降至最低，因为它直接耦合到DAC输出。避免数字和模拟信号交叉，并在电路板的相对两侧以直角运行走线，以减少馈通对电路板的影响。

电压基准

将整个电路的性能牢牢掌握在掌握范围内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。为了充分利用1 ppm数模转换器AD5791带来的挑战，基准电压源和相关元件的温度漂移和噪声规格应与DAC相当。虽然温度漂移为0.05 ppm/°C的基准电压源简直是幻想，但确实存在1 ppm/°C和2 ppm/°C基准电压源，其0.1 Hz至10 Hz噪声小于1 μV p-p。

结论

随着精密仪器以及测试和测量应用的精度要求的提高，人们正在开发更精确的组件来满足这些需求。它们保证了 1ppm 级别的精度规格，无需用户进一步校准，并且易于使用。然而，在设计这种精度水平的电路时，必须牢记存在的许多环境和设计相关挑战。成功的精密电路性能将取决于考虑和理解这些挑战并做出正确的组件选择。