利用16位電壓輸出DAC實現(xiàn)高精度電平設(shè)置

利用電壓輸出DAC實現(xiàn)真正的16位性能不僅要求選擇適當(dāng)?shù)腄AC，而且要求選擇適當(dāng)?shù)呐涮字С制骷?。針對精?6數(shù)模轉(zhuǎn)換應(yīng)用，本電路使用AD5542A/AD5541A電壓輸出DAC、ADR421基準電壓源以及用作基準電壓緩沖的AD8675 超低失調(diào)運算放大器，提供了一款低風(fēng)險解決方案。

基準電壓緩沖對于設(shè)計至關(guān)重要，因為DAC基準輸入的輸入阻抗與碼高度相關(guān)，如果DAC基準電壓源未經(jīng)充分緩沖，將導(dǎo)致線性誤差。開環(huán)增益高達120 dB的AD8675已經(jīng)過驗證和測試，符合本電路應(yīng)用關(guān)于建立時間、失調(diào)電壓和低阻抗驅(qū)動能力的要求。

需要時，精密、低失調(diào)OP1177 可以用作可選的輸出緩沖器。

這一器件組合可以提供業(yè)界領(lǐng)先的16位分辨率、±1 LSB積分非線性(INL)和±1 LSB微分非線性(DNL)，可以確保單調(diào)性，并且具有低功耗、小PCB和高性價比等特性。

圖1. 精密DAC配置（簡化的原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述

對于無誤差的理想DAC，輸出電壓與基準電壓相關(guān)，如下式所示：

其中D為載入DAC寄存器的十進制數(shù)據(jù)字，N為DAC的分辨率。

對于2.5 V基準電壓且N = 16，上述公式可簡化為下式：

這樣，在中間電平時VOUT為1.25 V，在滿量程時為2.5 V。

LSB大小為2.5 V/65,536 = 38.1 μV。

16位時，1 LSB也相當(dāng)于滿量程的0.0015%，或者15 ppm FS。

基準電壓源ADR421（B級）的室溫初始精度為0.04%，相當(dāng)于16位時的約27 LSB。此初始誤差可以通過系統(tǒng)校準消除。ADR421（B級）的溫度系數(shù)典型值為1 ppm/°C，最大值為3 ppm/°C。

假設(shè)使用理想基準電壓源（基準電壓誤差已通過系統(tǒng)校準消除），則AD5542A的最差情況單極性輸出電壓（包括誤差）可通過下式計算：

其中：

VOUT?UNI為單極性模式最差情況輸出。

D為載入DAC的碼。

VREF為施加于DAC的基準電壓（假設(shè)無誤差）。

VGE為增益誤差，單位伏特(V)。（注意，基準電壓緩沖的失調(diào)誤差必須包括在增益誤差中，因此為基準電壓緩沖選用的運算放大器必須具有低輸入失調(diào)電壓特性）。

VZSE 為零電平誤差（失調(diào)誤差），單位伏特(V)。（注意，可選輸出緩沖放大器的失調(diào)電壓會增加此誤差）

INL為DAC的積分非線性，單位伏特(V)。（注意，可選輸出緩沖放大器的非線性會增加此誤差）

室溫下，此電路的實測零電平誤差和增益誤差分別為±0.7 LSB和±2 LSB。在整個溫度范圍內(nèi)（?40°C至+85°C），零電平誤差為±1.5 LSB，增益誤差為±3 LSB。這些測量結(jié)果是從AD5542A的VOUT直接獲得，沒有連接輸出緩沖器。

本電路采用電壓輸出DAC AD5542A，提供真16位INL和DNL。AD5541A/AD5542A的DAC架構(gòu)為分段R-2R電壓模式DAC。采用這種配置，輸出阻抗與碼無關(guān)，而基準電壓源的輸入阻抗則與碼高度相關(guān)。因此，基準電壓緩沖的選擇對于碼相關(guān)基準電流的處理非常重要，如果DAC基準電壓緩沖不充分，可能會導(dǎo)致線性誤差。選擇配合精密電壓輸出DAC使用的基準電壓緩沖時，運算放大器的開環(huán)增益、失調(diào)電壓、失調(diào)誤差溫度系數(shù)和電壓噪聲也是重要的選擇指標。基準電壓電路中的失調(diào)誤差會引起DAC輸出端產(chǎn)生增益誤差。

本電路采用驅(qū)動/檢測配置（開爾文檢測）的AD8675運算放大器作為AD5542A的低阻抗輸出基準電壓緩沖。AD8675具有120 dB的開環(huán)增益，是一款精密、36 V、2.8 nV/√Hz運算放大器。其典型失調(diào)電壓為10 μV，典型溫漂小于0.2 μV/°C，噪聲為0.1 μV峰峰值（0 Hz至10 Hz），因而AD8675特別適合那些需要最小誤差源的應(yīng)用。

AD5542A有兩種工作模式：緩沖模式和非緩沖模式。使用何種工作模式由具體應(yīng)用及其建立時間、負載阻抗、噪聲等要求而定。可以選擇輸出緩沖器來優(yōu)化直流精度或快速建立時間。本電路所用的可選輸出放大器為高精度OP1177。DAC的輸出阻抗恒定（典型值6.25 kΩ），且與碼無關(guān)，但為了將增益誤差降至最小，輸出放大器的輸入阻抗應(yīng)盡可能高。輸出放大器還應(yīng)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(shù)，因此會延長輸出的建立時間。運算放大器的帶寬越寬，則DAC與放大器組合的有效建立時間越短。

圖1所示的器件組合實現(xiàn)了最小的PCB面積。AD5542A采用3 mm × 3 mm、16引腳LFCSP或16引腳TSSOP封裝。AD5541A采用3 mm × 3 mm、10引腳LFCSP或10引腳MSOP封裝。

請注意，AD5541A不包含基準電壓和地上的開爾文檢測線路、清零功能以及RFB 和 RINV電阻。

AD8675和ADR421采用8引腳MSOP或SOIC封裝，OP1177采用8引腳MSOP封裝。

可選輸出運算放大器為采用單位增益配置的OP1177，它包括一個與反相輸入端串聯(lián)的6.19 kΩ電阻。此電阻用于抵消偏置電流，并與AD5542A的輸出電阻相匹配，后者約為6.25 kΩ ± 20%。

測量結(jié)果表明，AD5542A/AD5541A是高精度、低噪聲電平設(shè)置應(yīng)用的理想選擇。在這一高精度、高性能系統(tǒng)中，通過基準電壓源ADR421和基準電壓緩沖AD8675保持直流性能水平。測量直接在VOUT上進行，沒有連接可選的輸出緩沖器。

積分非線性和微分非線性測量

積分非線性(INL)誤差指實際DAC傳遞函數(shù)與理想傳遞函數(shù)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所示電路提供了16位分辨率，DNL和INL均為±1 LSB。圖2和圖3顯示了該電路的DNL和INL性能。

圖2. 微分非線性

圖3. 積分非線性

零電平誤差和增益誤差測量

室溫下，零電平誤差 (VZSE)和增益誤差(VGE) 的測量結(jié)果分別為±0.7 LSB和±2 LSB。在整個溫度范圍內(nèi)（?40°C至+85°C），零電平誤差為±1.5 LSB，增益誤差為±3 LSB。

布局考慮

在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。包含本電路的印刷電路板(PCB)應(yīng)將模擬部分與數(shù)字部分分離。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(yīng)盡可能靠近AD5542A/AD5541A。本電路應(yīng)該采用具有較大面積接地層和電源層的多層PCB。

AD5542A/AD5541A的電源應(yīng)使用10 μF和0.1 μF電容進行旁路。這些電容應(yīng)盡可能靠近該器件，0.1 μF電容最好正對著該器件右上方。10 μF電容應(yīng)為鉭珠型或陶瓷型電容。0.1 μF電容必須具有低等效串聯(lián)電阻(ESR)和低等效串聯(lián)電感(ESL)，普通陶瓷型電容通常具有這些特性。

針對內(nèi)部邏輯開關(guān)引起的瞬態(tài)電流所導(dǎo)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(yīng)盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。時鐘和其它快速開關(guān)的數(shù)字信號應(yīng)通過數(shù)字地將其與電路板上的其它器件屏蔽開。