如何利用1ppmDAC簡化精密儀器儀表設(shè)計(jì)

為了提高儀器儀表系統(tǒng)的精度，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的性能已經(jīng)突破16位，而以前必須采用笨重、昂貴、慢速的Kelvin-Varley分壓器才能達(dá)到這一性能水平。

然而，隨著時間的推移，市場和技術(shù)不斷發(fā)展，關(guān)于精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器的定義也已發(fā)生變化。半導(dǎo)體處理技術(shù)、DAC設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展使高線性度數(shù)模轉(zhuǎn)換器成為可能。這種轉(zhuǎn)換器不僅穩(wěn)定性好、建立時間短，而且能提供優(yōu)于1ppm的20位性能。這類小型IC保證性能規(guī)格，無需校準(zhǔn)且簡單易用。

1ppm DAC的應(yīng)用范圍覆蓋從醫(yī)療MRI系統(tǒng)中的梯度線圈控制到質(zhì)譜測定、測試和測量應(yīng)用中的精密源和定位。

性能指標(biāo)

圖1所示電路提供1ppm性能，其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是積分非線性度、微分非線性度和0.1Hz至10Hz峰峰值噪聲。



圖1中，U1是一個具有1ppm線性度指標(biāo)的20位DAC。U2是一個精密雙通道放大器，用作DAC基準(zhǔn)電壓輸入的驅(qū)動-檢測緩沖器。U3是一個精密輸出緩沖器，用于驅(qū)動負(fù)載，其關(guān)鍵要求與基準(zhǔn)電壓緩沖器相似，其中包括低噪聲、低失調(diào)電壓、低漂移和低輸入偏置電流。

雖然有1ppm以下的精密元件可供使用，但構(gòu)建1ppm系統(tǒng)并非易事，不可等閑視之。1ppm精度電路中的主要誤差源為噪聲、溫度漂移和熱電電壓。

*噪聲

為實(shí)現(xiàn)真正的1ppm系統(tǒng)，必須將噪聲降至最低水平。U1的噪聲頻譜密度為7.5 nV/vHz。U2和U3的額定噪聲密度為2.8 nV/vHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DAC的噪聲貢獻(xiàn)。

寬帶噪聲可以通過濾波消除，但0.1Hz至10Hz范圍內(nèi)的低頻噪聲(1/f)卻無法濾除。要盡量降低這一噪聲，最有效的方法在于器件優(yōu)化和選擇。U1在0.1Hz至10Hz帶寬下產(chǎn)生0.6μVp-p噪聲，遠(yuǎn)低于1LSB(對于±10V輸出，1LSB = 19μV)。系統(tǒng)中1/f噪聲的設(shè)計(jì)目標(biāo)值應(yīng)為0.1LSB或2µV左右。信號鏈中的三個放大器在電路輸出端總共產(chǎn)生大約0.2μVp-p的噪聲。加上U1的0.6μVp-p噪聲，預(yù)計(jì)總1/f噪聲為0.8μVp-p。

*溫度漂移

溫度漂移是精密電路中的另一個主要誤差源。U1的溫度系數(shù)為0.05ppm/°C。U2的漂移系數(shù)為0.6µV/°C，即總體會向電路中引入0.03ppm/°C的漂移。同時U3再貢獻(xiàn)0.03ppm/°C的輸出漂移，這樣三者相加后為0.11 ppm/°C。對于調(diào)節(jié)和增益電路，建議使用低漂移、熱匹配電阻網(wǎng)絡(luò)，如Vishay的300144Z和300145Z。

*熱電電壓

熱電電壓是塞貝克(Seebeck)效應(yīng)的結(jié)果：異質(zhì)金屬結(jié)面處會產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電壓。所產(chǎn)生的電壓在0.2µV/°C(銅-銅結(jié)面)至1mV/°C(銅-銅氧化物結(jié)面)之間。

熱電電壓表現(xiàn)為與1/f噪聲相似的低頻漂移。使所有連接保持整潔，消除氧化物，并且屏蔽電路使其不受氣流影響，可以大幅降低熱電電壓。圖4顯示了開放式電路與屏蔽式電路在電壓漂移上的差異。

長期穩(wěn)定性

精密模擬IC雖然很穩(wěn)定，但確實(shí)會發(fā)生長期老化變化。DAC的長期穩(wěn)定性一般好于0.1ppm/1000小時，但老化不具累積性質(zhì)，而是遵循平方根規(guī)則。若某個器件的老化速度為1ppm/1000小時，則2000小時老化√2ppm，3000小時老化√3ppm，依此類推。一般地，溫度每降低25°C，時間就會延長10倍;因此，當(dāng)工作溫度為100°C時，在10000小時的期間(約60星期)，預(yù)計(jì)老化為0.1ppm。以此類推，在10年期間，預(yù)計(jì)老化為0.32ppm。

電路構(gòu)建和布局

在注重精度的電路中，精心考慮電源和接地回路布局有助于確保達(dá)到額定性能。在設(shè)計(jì)PCB時，應(yīng)采用模擬部分與數(shù)字部分相分離的設(shè)計(jì)，并限制在電路板的不同區(qū)域內(nèi)。

必須采用足夠大(10µF)的電源旁路電容，與每個電源上的0.1µF電容并聯(lián)，并且盡可能靠近封裝。這些電容應(yīng)具有低等效串聯(lián)電阻和低等效串聯(lián)電感。各電源線路上若串聯(lián)一個鐵氧體磁珠，則可進(jìn)一步降低通過器件的高頻噪聲。

電源線路應(yīng)采用盡可能寬的走線，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺噪聲影響。時鐘等快速開關(guān)信號應(yīng)利用數(shù)字地屏蔽起來，以免向電路板上的其它器件輻射噪聲，并且絕不應(yīng)靠近基準(zhǔn)輸入或位于封裝之下。避免數(shù)字信號與模擬信號交叉，且它們在電路板相反兩側(cè)上的走線應(yīng)彼此垂直，以減小電路板的饋通影響。

圖2



構(gòu)建1ppm模數(shù)轉(zhuǎn)換解決方案

一種典型的現(xiàn)代1ppm模數(shù)轉(zhuǎn)換解決方案由兩個16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成——一個主DAC和一個輔助DAC。其輸出經(jīng)縮放和組合后產(chǎn)生更高的分辨率。主DAC輸出與經(jīng)衰減的輔助DAC輸出相加，使輔助DAC填補(bǔ)主DAC LSB步長之間的分辨率間隙。

組合后的輸出需要具備單調(diào)性，但線性度無需極高，因?yàn)楦咝阅苁峭ㄟ^精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器的恒定電壓反饋取得的，該轉(zhuǎn)換器會校正固有的元件誤差。因此，電路精度受ADC的限制而不受限于DAC。然而，由于要求恒定電壓反饋以及不可避免的環(huán)路延遲，這種解決方案速度較慢，建立時間可能長達(dá)數(shù)秒。

盡管這種電路能夠取得1ppm的精度，但設(shè)計(jì)難度較大，很可能需要重復(fù)設(shè)計(jì)多次，而且需要通過軟件引擎和精密ADC來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精度。為了保證1ppm的精度，ADC還需進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)槟壳笆袌錾线€沒有保證1ppm線性度的ADC。此處所示框圖只是概念的展示，真實(shí)的電路要復(fù)雜得多，涉及多個增益、衰減和求和級，并包括許多元件。

同時還需要數(shù)字電路，以方便DAC與ADC之間的接口，更不用說用于誤差校正的軟件了。