用20位DAC实现1ppm精度— 精密电压源

随着时间的推移，半导体处理和片内校准技术的发展，关于精密集成电路DAC的定义也不断变化。高精度12 位DAC一度被认为遥不可及；近年来，16 位精度已日益在精密医学、仪器仪表、测试和计量应用中得到广泛运用；在未来，控制系统和仪器仪表系统甚至需要更高的分辨率和精度。

高精密应用目前要求18/20位、1 ppm精度数模转换器，以前只有笨重、昂贵、慢速的Kelvin-Varley分压器才能达到这一性能水平—属于标准实验室的专利，几乎不适用于现实仪器仪表系统。针对这类要求且采用IC DAC组件，更便利的半导体1 ppm 精度解决方案已推出数年，但此类复杂系统需要使用多种器件，需要不断进行校准，还需十分谨慎才可取得理想精度，而且体积大、成本高（见附录）。长久以来，精密仪器仪表市场都需要一种更简单，具有成本优势，无需校准或持续监控，简单易用，而且提供保证性能规格的DAC。目前，从16 位和18 位单芯片转换器（如DAC）自然升级已成为可能。

AD5791 1 ppm DAC

半导体处理技术、DAC架构设计和快速片内校准技术的发展使稳定、建立时间短的高线性度数模转换器成为可能。这种转换器可提供高优于1 ppm的相对精度、0.05 ppm/°C温度漂移、0.1 ppm p-p噪声、优于1 ppm的长期稳定性和1MHz吞吐量。这类小型单芯片器件保证性能规格，无需校准且简单易用。AD5791及其配套基准电压源和输出缓冲的典型功能框图如图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，具有额定的1 LSB（最低有效位）积分非线性度(INL)和微分非线性度(DNL)，是业界首款单芯片1 ppm 精度的数模转换器（1 LSB@20位为220分之一 =1,048,576分之一 = 1 ppm）。该器件设计用于高精密仪器仪表以及测试和计量系统，与其他解决方案相比，其整体性能有较大提升，具有更高的精度、体积更小、成本更低，使以前不具经济可行性的仪器仪表应用成为可能。

其设计（如图2所示）采用精密电压模式R-2R架构，利用了最新的薄膜电阻匹配技术，并通过片内校准例程来实现1 ppm精度。由于AD5791采用工厂校准模式，因而运行时无需校准程序，其延迟不超过100 ns，可用于波形生成应用及快速控制环路。

图2：DAC梯形结构。

AD5791不但提供出色的线性度，而且可具有9 nV/Hz噪声密度、0.1 Hz至10 Hz频带内0.6 μV峰峰值噪声、0.05 ppm/°C温度漂移，且其1000小时长期稳定性优于0.1 ppm。

作为一种高电压器件，采用双电源供电，最高±16.5 V。输出电压范围由正负基准电压VREFP 和VREFN决定，提供了灵活的输出范围选择。

AD5791 所用精密架构要求使用高性能外置放大器来缓冲来自3.4 kΩ DAC电阻的基准源，为基准输入引脚的加载感应提供方便，以确保AD5791的1 ppm线性度。AD5791需要一个输出缓冲来驱动负载，以减轻3.4 kΩ输出阻抗的负担——除非驱动的是一个极高阻抗、低电容负载——或者衰减处于容限之内并可预测。

由于放大器为外置型，可根据噪声、温度漂移和速度的优化需要进行选择——并可调整比例因子——具体视应用需要而定。对于基准缓冲，建议采用AD8676 双通道放大器，其具有低噪声、低失调误差、低失调误差漂移和低输入偏置电流的特点。基准缓冲的输入偏置电流特性非常重要，因为过大的偏置电流会降低直流线性度。积分非线性度的降低（单位：ppm）为输入偏置电流的函数，一般表示为：

其中，IBIAS单位为 nA; VREFP和 VREFN的单位均为伏特。例如，对于±10 V的基准输入范围，100 nA的输入偏置电流将使INL提高0.05 ppm。

输出缓冲的主要要求与基准缓冲相似——唯一例外是偏置电流，因为它不影响AD5791的线性度。但失调电压和输入偏置电流可能会影响到输出失调电压。为了维持直流精度，建议将AD8675 用作输出缓冲。高吞吐量应用要求使用较高压摆率的快速输出缓冲放大器。

表1 列出了少数适用精密放大器的关键技术规格。

AD5791具有设计时间更短、设计风险更小、成本更低、电路板尺寸更小、可靠性更高和保证性能规格的特点。

图3是一种电路示意图，其中以AD5791 (U1)作为精密数控1 ppm电压源，电压范围为±10V，增量为20 μV；以AD8676 (U2)作为基准缓冲；以AD8675 (U3)作为输出缓冲。绝对精度取决于外置10 V基准电压源的选择。

图3：采用AD5791数模转换器的1 ppm精度系统。

性能测量

该电路的重要指标是积分非线性度、微分非线性度和0.1 Hz至10 Hz峰峰值噪声。图4显示，典型INL处于±0.6 LSB之内。

图4：积分非线性度坐标图。

图5所示典型DNL为±0.5 LSB；在整个位跃迁范围内，输出均可保证单调性。

图5：微分非线性度坐标图。

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仅仅是个开始：

1 ppm电路的复杂性

尽管AD5791一类的精密次 1 ppm元件已上市，但构建1 ppm系统并非易事，不能草率对待。必须全面考虑在这个精度级别出现的误差源。1 ppm 精度电路中的主要误差源为噪声、温度漂移、热电电压和物理应力。应遵循精密电路的构建技术，以尽量降低此类误差在整个电路中的耦合和传播效应，避免产生外部干扰。下面将简要总结这些考虑因素。更多详情请参阅参考文献。

噪声

工作于1 ppm分辨率和精度时，必须将噪声降至最低水平。AD5791的噪声频谱密度为9 nV/Hz，主要源于3.4 kΩ DAC电阻的约翰逊噪声。为了尽量避免增加系统噪声，必须将所有外设的噪声贡献降至最低。电阻值应低于DAC电阻，以确保其约翰逊噪声贡献不会大幅提高方和根总体噪声水平。AD8676基准缓冲和AD8675输出缓冲额定噪声密度为2.8 nV/Hz，远远低于DAC的噪声贡献。

通过简单的R-C滤波器，即可相对简单地消除高频噪声，但0.1 Hz至10 Hz范围内的1/f噪声却很难在不影响直流精度的情况下滤除。降低1/f噪声最有效的方法是避免其进入电路之中。AD5791在0.1 Hz至10 Hz带宽下产生约0.6 μV峰峰值噪声，远低于1 LSB（输出范围为±10 V时，1 LSB = 19 μV）。在整个电路中，1/f最大噪声的目标值应为0.1 LSB或2 μV左右，通过选择合适的元件即可达到此目标。电路中的放大器产生0.1 μV峰峰值1/f噪声； 信号链中的三个放大器在电路输出端共产生约0.2 μV峰峰值噪声。加上来自AD5791的0.6 μV峰峰值噪声，预计总1/f噪声约为0.8 μV峰峰值， 该值与图5所示测量值紧密相关。这为可能增加的其他电路（如放大器、电阻和基准电压源）等留出了充足的余量。

除随机噪声以外，还须避免由辐射、传导和感应电干扰导致的误差。必须采用屏蔽、防护、谨慎接地、正确的印刷电路板布线等技术。

温度漂移

与所有精密电路一样，所有元件的温度漂移是主要误差源之一。减少漂移的关键是选择次 1 ppm温度系数的重要元件。AD5791具有极低的温度系数，为0.05 ppm/°C。AD8676基准缓冲的漂移系数为0.6 μV/°C，总共会向电路中增0.03 ppm/°C的增益漂移；AD8675输出缓冲会再贡献0.03 ppm/°C的输出漂移；相加后为0.11 ppm/°C。缩放和增益电路中应使用低漂移、热匹配电阻网络。建议使用Vishay体金属薄膜分压器电阻系列300144Z和300145，其电阻跟踪温度系数为0.1 ppm/°C。

热电电压

热电电压是Seebeck效应造成的结果：相异金属结处产生与温度有关的电压。根据结处的金属元件，结果产生的电压位于0.2 μV/°C至1 mV/°C之间。最好的情况是铜铜结，产生的热电EMF不到0.2 μV/°C。在最糟糕的情况下，铜铜氧化物结可产生最大1 mV/°C的热电电压。对小幅温度波动的这种灵敏度意味着，附近的耗能元件或跨越印刷电路板(PCB)的低速气流可能产生不同的温度梯度，结果产生不同的热电电压，而这种电压又表现为与低频1/f 噪声相似的低频漂移。可通过消除系统中的相异结和/或消除热梯度来避免热电电压。虽然消除相异金属结几乎不可能——IC封装、PCB电路、布线和连接器中存在多种不同的金属——但使所有连接均保持整洁，消除氧化物，这种方法可以有效地减少热电电压。屏蔽电路使其不受气流影响，是一种有效的热电电压稳定方法，而且具有电屏蔽的增值作用。图7展示了开放式电路与封闭式电路在电压漂移上的差异。

图7：开放式系统和封闭式系统的电压漂移与时间关系。

为了消除热电电压，可在电路中增加补偿结，但必须进行大量的试验和重复测试，以确保插入结配对正确、位置无误。截至目前，最高效的方法是减少信号路径中的元件数，稳定局部温度和环境温度，从而减少电路中的结。

物理应力

高精模拟半导体器件对其封装承受的应力非常敏感。封装中的应力消除填充物具有一定的作用，但无法补偿因PCB变形等局部应力源在封装上直接产生的压力带来的较大应力。印刷电路板越大，封装可能承受的应力越大，因此即使在小型电路板上也应安装敏感电路——通过柔性或非刚性连接器与大系统相连。如果必须使用较大电路板，则应在敏感元件周围，在元件两面或（最好）三面割些应力消除切口，可极大地减少因电路板弯曲给元件带来的应力。

长期稳定性

在考虑噪声和温度漂移的基础上，还需考虑长期稳定性。精密模拟IC虽然非常稳定，但确实会发生长期老化变化。AD5791在125°C的长期稳定性一般好于0.1 ppm/1000 小时。虽然老化不具累积性质，但遵循平方根规则（若某个器件的老化速度为1 ppm/1000 小时，为2 ppm/2000 小时，为3 ppm/3000 小时等等）。一般地，温度每降低25°C，时间就会延长10倍；因此，当工作温度为85°C时，在10000小时的期间（约60星期），预计老化为0.1 ppm。以此外推，在10年期间，预计老化为0.32 ppm。即是说，当工作温度为85°C时，在10年期间，数据手册直流规格可能漂移0.32 ppm。

电路构建和布局

在注重精度的电路中，精心考虑电源和接地回路布局有助于确保达到额定性能。在设计PCB时，应采用模拟部分与数字部分相分离的设计，并限制在电路板的不同区域内。如果DAC所在系统中有多个器件要求模数接地连接，则只能在一个点上进行连接。星形接地点尽可能靠近该器件。必须采用足够大的10 μF电源旁路电容，与每个电源引脚上的0.1 μF电容并联，并且尽可能靠近封装，最好是正对着该器件。10 μF电容应为钽珠型电容。0.1 μF电容必须具有低有效串联电阻(ESR)和低有效串联电感(ESL)，如高频时提供低阻抗接地路径的普通多层陶瓷型电容，以便处理内部逻辑开关所引起的瞬态电流。各电源线路上若串联一个铁氧体磁珠，则可进一步防止高频噪声通过器件。

电源走线必须尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。利用数字地将快速开关信号（如时钟）屏蔽起来，以避免向电路板上的其他器件辐射噪声，并且不得靠近基准输入，也不得置于封装之下。基准输入上的噪声必须降至最低，因为这种噪声会被耦合至DAC输出。避免数字信号与模拟信号交叉，电路板相反两侧上的走线应彼此垂直，以减小电路板的馈通效应。

基准电压源

维持整个电路性能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。为了充分发挥1 ppm AD5791数模转换器的性能，基准元件和关联元件应具有与DAC不相上下的温度漂移和噪声规格。虽然离温度漂移为0.05 ppm/°C的基准电压源仍相去甚远，但0.1 Hz 至10 Hz范围噪声低于1 μV p-p的1 ppm/°C和2 ppm/°C基准电压源确实存在。

结论

随着精密仪器仪表以及测试和计量应用对精度的要求不断提高，人们正在开发精度更高的元件，以满足这些需求。此类器件具有1 ppm级精度规格，用户无需进一步校准，而且简单易用。然而，在设计这一精度级别的电路时，必须考虑多种现实环境因素和设计相关因素。精密电路性能的成功与否取决于对这些因素的考虑和理解是否到位，取决于选择正确的元件。

参考电路

(有关全部ADI元件的详细信息，请访问 www.analog.com.)

1. "The Long Term Stability of Precision Analog ICs, or How to Age Gracefully and Avoid Sudden Death." Analog Devices. Rarely Asked Questions.

http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/2016/03/09/14/49/raq-issue-15.html.

2. Low Level Measurements Handbook. 6th Edition. Keithley. 2004.

http://www.tek.com/document/primer/low-level-measurements-handbook-precision-dc-current-voltage-and-resistance-measurem.

3. MT-031, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND."

http://www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-031.pdf.

附录

图8所示为一种典型的现代1 ppm DAC解决方案的功能框图。电路核心由两个16 位数模转换器构成——一个主DAC和一个辅助DAC——其输出经缩放和组合后产生更高的分辨率。主DAC输出与经衰减的辅助DAC输出相加，使辅助DAC填补主DAC LSB步长之间的分辨率间隙。

图8. 分立1 ppm DAC解决方案。

组合后的DAC输出需要为单调性，但线性度无需极高，因为高性能是通过精密模数转换器的恒定电压反馈取得的，该转换器校正固有的元件误差；电路精度受ADC的限制而不受限于DAC。然而，由于恒定电压反馈的要求以及不可避免的环路延迟，这种解决方案速度较慢，建立时间达数秒。

尽管这种电路能够并且经努力可以取得1 ppm的精度，但设计难度较大，很可能需要重复设计多次，而且需要通过软件引擎和精密ADC来实现目标精度。为了保证1 ppm的精度，ADC还需进行校准，因为目前市场上还没有保证1 ppm线性度的ADC。图8所示简图只是概念的展示，真实的电路要复杂得多，涉及多个增益、衰减和求和级，包括多个元件。同时还需要复杂的数字电路，以方便DAC与ADC之间的接口，更不用说用于误差校正的软件了。