16位线性超稳定、低噪声、双极性±10V直流电压源电路图

2013-12-30 17:22:57来源: 互联网 关键字:16位  线性  直流电压源  电路图

电路功能与优势

  图1所示电路是一个16位、超稳定、低噪声、精密、双极性、±10 V电压源,仅需搭配最少数量的精密外部元件。

  AD5760电压输出DAC(B级)的积分非线性(INL)最大值为 ±0.5 LSB,差分非线性(DNL)最大值为±0.5 LSB。

  完整系统具有低于0.1 LSB的峰峰值噪声和漂移,以100秒时间间隔进行测量。该电路适用于医疗仪器、测试和测量,以及需要精密低漂移电压源的工业控制应用中。

  

  图1. 16位精密±10 V电压源(原理示意图:未显示所有连接和去耦)

  电路描述

  图1所示电路基于真16位、无缓冲电压输出DACAD5760采用最高33 V双极性电源供电。AD5760的正基准电压输入范围为5 V至V DD − 2.5 V,负基准电压输入范围为VSS + 2.5 V 至0 V,相对精度最大值为±0.5 LSB,保证工作单调性,差分非线性(DNL)最大值为±0.5 LSB。AD5760输出噪声为8 nV/√Hz,还具有极高的长期线性误差稳定性(0.00625 LSB)。

  图1显示AD5760配置为带有放大器输入偏置电流补偿的单位增益模式,可产生对称的双极性输出电压范围。此工作模式采用外部输出运算放大器和片内电阻(参见AD5760数据手册)来提供输入偏置电流补偿。这些内部电阻相互之间以及与DAC梯形电阻之间均热匹配,因而可实现比率热跟踪。

  精密运算放大器AD8675 具有低失调电压(最大值75 μV)和低噪声(典型值2.8 nV/√Hz,0.1 μV p-p,0.1 Hz至10 Hz)特性,是AD5760的最佳输出缓冲器。AD5760具有两个内部匹配的6.8 kΩ前馈和反馈电阻,它们既可以连接到运算放大器 AD8675以提供10 V失调电压,从而实现±10 V输出摆幅,也可以并行连接以提供偏置电流消除功能。本例显示±10 V双极性输出,电阻用于偏置电流消除功能。内部电阻连接通过设置AD5760控制寄存器中的相关位来控制(参见AD5760 数据手册)。

  ADR4550是高精度基准电压源,提供出色的温度稳定性(最大值2 ppm/°C,B级)和超低输出电压噪声(2.8 μV p-p,0.1 Hz 至10 Hz)。这些特性使其成为AD5760的理想基准电压源。

  为了获得±10 V输出电压范围,使用AD8675和AD8676 (双通道AD8675)将ADR4550的+5 V基准电压放大至±10 V(如图1 所示)。

  输出缓冲器同样采用AD8675,它具有低噪声和低漂移特性。此放大器与AD8676(AD8675的双通道版本)共同将低噪声ADR4550的+5 V基准电压分别放大至+10 V和-10 V。此增益电路中的R1、R2、R3和R4为精密金属薄片电阻,其容差和温度系数电阻分别为0.01%和0.6 ppm/°C。R6和C4构成低通滤波器,截止频率大约为10 Hz。该滤波器用于衰减基准电压源噪声。

  如有需要,可使用单个双通道放大器AD8676代替电路中的两个运算放大器AD8675。然而,EVAL-AD5760SDZ板设计用于提供输出级灵活性,因此本例中选择两个运算放大器 AD8675。

  该电路的数字输入采用串行输入,并与标准SPI、QSPI、 MICROWIRE®和DSP接口标准兼容。

  线性度测量

  利用Agilent 3458A万用表,在EVAL-AD5760评估板上演示图 1所示电路的精密性能。图2显示积分非线性与DAC代码具有函数关系,且位于± 0.5 LSB的规格范围内。

  图3显示差分非线性与DAC代码具有函数关系,且位于±0.5 LSB的规格范围内。

  

  图2. 积分非线性与DAC码的关系

  

  图3. 微分非线性与DAC码的关系

  噪声漂移测量

  要实现高精度,电路输出端的峰峰值噪声必须维持在1 LSB 以下,对于16位分辨率和+10 V单极性电压范围为152 μV,而对于20 V峰峰值电压范围则为305 μV。

  实际应用中不会在0.1 Hz处有高通截止频率来衰减1/f噪声,但会在其通带中包含低至直流的频率;因此,测得的峰峰值噪声对于+10 V单极性电压范围如图4所示,而对于±10 V 双极性电压范围则如图5所示。两种情况下,电路输出端的噪声是在100秒内测得的,测量充分涵盖低至0.01 Hz的频率。

  图4显示10 V输出范围内的信号链噪声性能(1 LSB = 152 μV)。将AD5760的VREFN输入接地即可得到10 V范围。

  

  图4. 使用ADR4550基准电压源和10 V峰峰值单极性输出电压范围,100秒内测得的DAC输出电压噪声:满量程(蓝色)、中间电平(绿色)和零电平(红色)

  图4中10 V范围的峰峰值输出噪声总结如下:

  零电平 = 0.96 μV p-p = 0.006 LSB p-p

  中间电平 = 7.46 μV p-p = 0.05 LSB p-p

  满量程 = 12.88 μV p-p = 0.08 LSB p-p

  零电平输出电压的噪声最低,此时噪声仅来自DAC内核,这仅仅是由于VREFN输入接地。选择零电平码时,DAC会衰减各基准电压路径的噪声贡献。

  频率较低时,温度漂移和热电偶效应会变成误差源。通过选择热系数较小的器件可以将上述效应降至最小。在此电路中,低频1/f噪声的主要来源是基准电压源。另外,基准电压源的温度系数值也是电路中最大的,为2 ppm/°C。

  图5显示20 V输出范围内的信号链噪声性能(1 LSB = 305 μV)。

  

  图5. 使用ADR4550基准电压源和20 V峰峰值双极性输出电压范围,
100秒内测得的DAC输出电压噪声:满量程(蓝色)、中间电平(绿色)和零电平(红色)

  图5中20 V范围的峰峰值噪声总结如下:

  零电平 = 18 μV p-p = 0.06 LSB p-p

  中间电平 = 2.47 μV p-p = 0.008 LSB p-p

  满量程 = 9.22 μV p-p = 0.03 LSB p-p

  中间电平时具有最低的噪声,因为DAC内核在该电平位置具有针对基准电压源的最大衰减。

  零电平时的噪声大于满量程时的噪声,因为负基准电压通过额外的缓冲器级。

关键字:16位  线性  直流电压源  电路图

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1230/article_22416.html
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