電路功能與優(yōu)勢
本電路利用電壓輸出DACAD5542 、基準電壓源ADR421BRZ以及用作基準電壓緩沖的自穩(wěn)零運算放大器AD8628 ，可實現精密數據轉換。AD8628基準電壓緩沖可提供以前只有昂貴的自穩(wěn)零或斬波穩(wěn)定放大器才具有的特性優(yōu)勢。這些零漂移放大器采用ADI公司的電路拓撲結構，將低成本與高精度、低噪聲特性融于一體。無需外部電容，而且與大多數斬波穩(wěn)定放大器相關的數字開關噪聲大大降低，因此這種放大器是基準電壓緩沖的最佳選擇。
本電路可實現精密、低功耗、電壓輸出數模轉換。AD5542有兩種工作模式：緩沖模式和非緩沖模式。何種工作模式最佳由具體應用及其建立時間、輸入阻抗、噪聲等要求而定?？梢愿鶕绷骶然蚩焖俳r間要求來選擇輸出緩沖放大器。如果要求DAC驅動60 kΩ以下的負載，則需要輸出緩沖。DAC的輸出阻抗恒定，且與數字碼無關，但為了將增益誤差降至最小，輸出放大器的輸入阻抗應盡可能高。輸出放大器還應具有1 MHz或更高的3 dB帶寬。輸出放大器給系統(tǒng)增加了另一個時間常數，因此會延長最終輸出的建立時間。
放大器的3 dB帶寬越高，則DAC與放大器組合的有效建立時間越快。電路中的所有器件均可采用+5 V單電源供電?；鶞孰妷涸碅DR421的輸入電壓范圍為4.5 V至18 V。
圖1：精密DAC配置(原理示意圖)
電路描述
本電路采用電壓輸出DAC AD5542，提供16位、高精度性能。AD5541
其中D為載入DAC寄存器的十進制數字字，N為DAC的分辨率。
對于2.5 V基準電壓，上述公式可簡化為下式：
因此，中間電平碼對應的VOUT 為1.25 V，滿量程碼對應的VOUT為2.5 V。
LSB大小為2.5 V/65,536 = 38.1 μV。
有一個普遍的誤解認為自穩(wěn)零放大器不可靠，因為內部開關動作會導致交調項，并使不需要的諧波未經濾除便進入到輸出。以前的自穩(wěn)零放大器采用自穩(wěn)零或斬波穩(wěn)定技術，傳統(tǒng)的自穩(wěn)零技術使自穩(wěn)零頻率時的噪聲能量較低，但由于自穩(wěn)零頻帶中混疊寬帶噪聲，因此會造成低頻噪聲較高。斬波技術使低頻噪聲較低，但斬波頻率時的噪聲能量較大。AD8628系列采用已獲專利的乒乓式配置，同時使用自穩(wěn)零和斬波技術，可在斬波和自穩(wěn)零頻率獲得較低的低頻噪聲以及較低的能量，從而使大部分應用的信噪比達到最高，且不需要額外濾波。內部斬波頻率相對較高(15 kHz)，因此在儀器儀表和過程控制應用中，可簡化對濾波器的有效、無噪聲、寬帶寬要求。
測量結果顯示：在高精度、高性能系統(tǒng)中將AD8628用作基準電壓緩沖，可以實現高精度、低噪聲以及最低高頻交調失真(折合到輸出端)性能。
積分非線性(INL)誤差指實際DAC傳遞函數與理想傳遞函數的偏差，用LSB表示。差分非線性(DNL)誤差指實際步進大小與1 LSB的理想值之間的差異。圖1所示電路在16位分辨率時的INL誤差為±1 LSB，DNL誤差為±1 LSB。圖2和圖3顯示了該電路的INL和DNL性能。
圖2：積分非線性誤差與輸入碼的關系
圖3：差分非線性誤差與輸入碼的關系
測得的失調誤差和增益誤差分別為10 μV和170 μV。±5 LSB的增益誤差和±1 LSB的零碼誤差均在38 μV額定誤差范圍(2.5 V基準電壓、環(huán)境溫度)內。
圖4顯示該電路的0.1 Hz至10 Hz噪聲圖。DAC的輸出VOUT與0.1 Hz至10 Hz帶寬濾波器的輸入端相連，濾波器之后接一個放大器，其增益為10,000。用一個示波器捕捉電壓噪聲，觀察到非常低的峰峰值電壓57 mV(相對于DAC輸出為5.7 μV)。
圖4：0.1 Hz至10 Hz輸出噪聲圖;滿量程碼載入DAC(1/f噪聲 = 57 mV/10,000 = 5.7 μV)
圖5顯示利用頻譜分析儀得到的DAC輸出，掃頻范圍為100 Hz至100 kHz。沒有觀察到明顯的交調失真(IMD)項，表明將AD8628等自穩(wěn)零放大器用作基準電壓緩沖是極佳選擇。
圖5：DAC輸出頻譜密度圖(dB折合到滿量程)
在任何注重精度的電路中，精心考慮電源和電路板上的接地回路布局有助于達成目標。包含該電路的印刷電路板(PCB)應具有單獨的模擬和數字部分。如果該電路所在系統(tǒng)中有其它器件要求AGND至DGND連接，則只能在一個點上進行連接。該接地點應盡可能靠近AD5542。AD5542的電源應使用10 μF和0.1 μF電容進行旁路。這些電容應盡可能靠近該器件，0.1 μF電容最好正對著該器件。10 μF電容為鉭珠型電容。0.1 μF電容必須具有低有效串聯電阻(ESR)和低有效串聯電感(ESL)，普通陶瓷型電容通常具有這些特性。針對內部邏輯開關引起的瞬態(tài)電流所導致的高頻，該0.1 μF電容可提供低阻抗接地路徑。電源走線應盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的突波效應。時鐘和其它快速開關數字信號應通過數字地屏蔽起來，使之不受電路板的其它器件影響。
本電路必須構建在具有較大面積接地層的多層電路板上。為實現最佳性能，必須采用適當的布局、接地和去耦技術(請參考教程MT-031——“實現數據轉換器的接地并解開AGND和DGND的迷團”，以及 教程MT-101——“去耦技術”)。
常見變化
AD8538是另一款適合在該電路中緩沖基準電壓的優(yōu)秀自穩(wěn)零運算放大器，它具有低失調電壓和超低偏置電流特性。2.5 V輸出ADR421可以用ADR423 或 ADR434代替，二者均為低噪聲基準電壓源，與ADR421同屬一個基準電壓源系列，分別提供3 V和4.096 V輸出。超低噪聲基準電壓源 ADR441 和ADR431也是合適的替代器件，提供2.5 V輸出。請注意，基準輸入電壓的大小受所選運算放大器的軌到軌輸出電壓能力限制。
本電路沒有使用輸出緩沖，因為根據系統(tǒng)帶寬和應用需要，輸出緩沖性能可以針對速度或直流精度進行優(yōu)化。AD5661將是出色的輸出緩沖選擇。這是一款單電源、5 V至16 V放大器，采用ADI公司的DigiTrim?專利技術實現低失調電壓，可提供低輸入偏置電流和寬信號帶寬。AD8605 或 AD8655 也是不錯的選擇。
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