16位線性超穩(wěn)定、低噪聲、雙極性±10V直流電壓源電路圖

電路功能與優(yōu)勢

　　圖1所示電路是一個16位、超穩(wěn)定、低噪聲、精密、雙極性、±10 V電壓源，僅需搭配最少數(shù)量的精密外部元件。

　　AD5760電壓輸出DAC（B級）的積分非線性（INL）最大值為 ±0.5 LSB，差分非線性（DNL）最大值為±0.5 LSB。

　　完整系統(tǒng)具有低于0.1 LSB的峰峰值噪聲和漂移，以100秒時間間隔進(jìn)行測量。該電路適用于醫(yī)療儀器、測試和測量，以及需要精密低漂移電壓源的工業(yè)控制應(yīng)用中。

　　圖1. 16位精密±10 V電壓源（原理示意圖：未顯示所有連接和去耦）

　　電路描述

　　圖1所示電路基于真16位、無緩沖電壓輸出DACAD5760采用最高33 V雙極性電源供電。AD5760的正基準(zhǔn)電壓輸入范圍為5 V至V DD ? 2.5 V，負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入范圍為VSS + 2.5 V 至0 V，相對精度最大值為±0.5 LSB，保證工作單調(diào)性，差分非線性（DNL）最大值為±0.5 LSB。AD5760輸出噪聲為8 nV/√Hz，還具有極高的長期線性誤差穩(wěn)定性（0.00625 LSB）。

　　圖1顯示AD5760配置為帶有放大器輸入偏置電流補(bǔ)償?shù)膯挝辉鲆婺Ｊ?，可產(chǎn)生對稱的雙極性輸出電壓范圍。此工作模式采用外部輸出運算放大器和片內(nèi)電阻（參見AD5760數(shù)據(jù)手冊）來提供輸入偏置電流補(bǔ)償。這些內(nèi)部電阻相互之間以及與DAC梯形電阻之間均熱匹配，因而可實現(xiàn)比率熱跟蹤。

　　精密運算放大器AD8675 具有低失調(diào)電壓（最大值75 μV）和低噪聲（典型值2.8 nV/√Hz，0.1 μV p-p，0.1 Hz至10 Hz）特性，是AD5760的最佳輸出緩沖器。AD5760具有兩個內(nèi)部匹配的6.8 kΩ前饋和反饋電阻，它們既可以連接到運算放大器 AD8675以提供10 V失調(diào)電壓，從而實現(xiàn)±10 V輸出擺幅，也可以并行連接以提供偏置電流消除功能。本例顯示±10 V雙極性輸出，電阻用于偏置電流消除功能。內(nèi)部電阻連接通過設(shè)置AD5760控制寄存器中的相關(guān)位來控制（參見AD5760 數(shù)據(jù)手冊）。

　　ADR4550是高精度基準(zhǔn)電壓源，提供出色的溫度穩(wěn)定性（最大值2 ppm/°C，B級）和超低輸出電壓噪聲（2.8 μV p-p，0.1 Hz 至10 Hz）。這些特性使其成為AD5760的理想基準(zhǔn)電壓源。

　　為了獲得±10 V輸出電壓范圍，使用AD8675和AD8676 （雙通道AD8675）將ADR4550的+5 V基準(zhǔn)電壓放大至±10 V（如圖1 所示）。

　　輸出緩沖器同樣采用AD8675，它具有低噪聲和低漂移特性。此放大器與AD8676（AD8675的雙通道版本）共同將低噪聲ADR4550的+5 V基準(zhǔn)電壓分別放大至+10 V和-10 V。此增益電路中的R1、R2、R3和R4為精密金屬薄片電阻，其容差和溫度系數(shù)電阻分別為0.01%和0.6 ppm/°C。R6和C4構(gòu)成低通濾波器，截止頻率大約為10 Hz。該濾波器用于衰減基準(zhǔn)電壓源噪聲。

　　如有需要，可使用單個雙通道放大器AD8676代替電路中的兩個運算放大器AD8675。然而，EVAL-AD5760SDZ板設(shè)計用于提供輸出級靈活性，因此本例中選擇兩個運算放大器 AD8675。

　　該電路的數(shù)字輸入采用串行輸入，并與標(biāo)準(zhǔn)SPI、QSPI、 MICROWIRE?和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。

　　線性度測量

　　利用Agilent 3458A萬用表，在EVAL-AD5760評估板上演示圖 1所示電路的精密性能。圖2顯示積分非線性與DAC代碼具有函數(shù)關(guān)系，且位于± 0.5 LSB的規(guī)格范圍內(nèi)。

　　圖3顯示差分非線性與DAC代碼具有函數(shù)關(guān)系，且位于±0.5 LSB的規(guī)格范圍內(nèi)。

　　圖2. 積分非線性與DAC碼的關(guān)系

　　圖3. 微分非線性與DAC碼的關(guān)系

　　噪聲漂移測量

　　要實現(xiàn)高精度，電路輸出端的峰峰值噪聲必須維持在1 LSB 以下，對于16位分辨率和+10 V單極性電壓范圍為152 μV，而對于20 V峰峰值電壓范圍則為305 μV。

　　實際應(yīng)用中不會在0.1 Hz處有高通截止頻率來衰減1/f噪聲，但會在其通帶中包含低至直流的頻率；因此，測得的峰峰值噪聲對于+10 V單極性電壓范圍如圖4所示，而對于±10 V 雙極性電壓范圍則如圖5所示。兩種情況下，電路輸出端的噪聲是在100秒內(nèi)測得的，測量充分涵蓋低至0.01 Hz的頻率。

　　圖4顯示10 V輸出范圍內(nèi)的信號鏈噪聲性能（1 LSB = 152 μV）。將AD5760的VREFN輸入接地即可得到10 V范圍。

　　圖4. 使用ADR4550基準(zhǔn)電壓源和10 V峰峰值單極性輸出電壓范圍，100秒內(nèi)測得的DAC輸出電壓噪聲：滿量程（藍(lán)色）、中間電平（綠色）和零電平（紅色）

　　圖4中10 V范圍的峰峰值輸出噪聲總結(jié)如下：

　　零電平 = 0.96 μV p-p = 0.006 LSB p-p

　　中間電平 = 7.46 μV p-p = 0.05 LSB p-p

　　滿量程 = 12.88 μV p-p = 0.08 LSB p-p

　　零電平輸出電壓的噪聲最低，此時噪聲僅來自DAC內(nèi)核，這僅僅是由于VREFN輸入接地。選擇零電平碼時，DAC會衰減各基準(zhǔn)電壓路徑的噪聲貢獻(xiàn)。

　　頻率較低時，溫度漂移和熱電偶效應(yīng)會變成誤差源。通過選擇熱系數(shù)較小的器件可以將上述效應(yīng)降至最小。在此電路中，低頻1/f噪聲的主要來源是基準(zhǔn)電壓源。另外，基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)值也是電路中最大的，為2 ppm/°C。

　　圖5顯示20 V輸出范圍內(nèi)的信號鏈噪聲性能（1 LSB = 305 μV）。

　　圖5. 使用ADR4550基準(zhǔn)電壓源和20 V峰峰值雙極性輸出電壓范圍，
100秒內(nèi)測得的DAC輸出電壓噪聲：滿量程（藍(lán)色）、中間電平（綠色）和零電平（紅色）

　　圖5中20 V范圍的峰峰值噪聲總結(jié)如下：

　　零電平 = 18 μV p-p = 0.06 LSB p-p

　　中間電平 = 2.47 μV p-p = 0.008 LSB p-p

　　滿量程 = 9.22 μV p-p = 0.03 LSB p-p

　　中間電平時具有最低的噪聲，因為DAC內(nèi)核在該電平位置具有針對基準(zhǔn)電壓源的最大衰減。

　　零電平時的噪聲大于滿量程時的噪聲，因為負(fù)基準(zhǔn)電壓通過額外的緩沖器級。