20位、线性、低噪声、精密、单极性+10 V直流电压源 (CN0257)

图1所示电路是一个20位线性、低噪声、精密单极性(+10 V)电压源，所需外部元件的数量极少。 AD5790 是一款20位、无缓冲电压输出DAC，采用最高33 V的双极性电源供电。正基准电压输入范围为5 V至VDD – 2.5V，负基准电压输入范围为VSS + 2.5 V至0V。两路基准电压输入均在片内缓冲，无需外部缓冲。相对精度最大值为±2 LSB，保证工作单调性，微分非线性(DNL)最大值为−1 LSB至+2 LSB。

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）特性，是AD5790的最佳输出缓冲器。AD5790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偏移电压，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。本例演示的单极性+10 V输出，电阻用于偏置电流消除功能。内部电阻连接通过设置AD5790控制寄存器中的相关位来控制（参见AD5790数据手册）。

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。对于高精度应用，通过结合使用AD5790和AD8675等精密器件，这个紧凑的电路可以提供高精度和低噪声性能。

图1. 20位精密、0 V至+10 V电压源（原理示意图：未显示去耦和所有连接）

 

图1所示数模转换器(DAC)为AD5790，这是一款SPI接口的20位高压转换器，提供±2 LSB INL、−1至+2 LSB DNL和8 nV/√Hz噪声频谱密度。另外，AD5790还具有极高的长期线性误差稳定性(0.1 LSB)。

图1显示AD5790的单极性缓冲配置，输出缓冲器采用AD8675，它具有低噪声和低漂移特性。该放大器(A1)还用于放大低噪声精密基准电压源（本例使用Krohn Hite 523型精密基准电压源）提供的+5 V基准电压。此增益电路中的电阻R2和R3为精密金属薄片电阻，其容差和温度系数分别为0.01%和0.6 ppm/°C。要在整个温度范围内达到最佳性能，R2和R3应处于单个封装内，如Vishay 300144或VSR144系列。R2和R3均选用1 kΩ，以便将系统噪声保持在较低水平。R1和C1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。

线性度测量
利用Agilent 3458A万用表，在 EVAL-AD5790SDZ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±2 LSB的规格范围内（0°C至105°C）。

图3显示微分非线性与DAC代码具有函数关系，且位于−1 LSB至+2 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20位分辨率和+10 V单极性电压范围则为9.5 μV。

实时噪声应用中不会在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DC的频率；因此，测得的峰峰值噪声如图4所示。本例中，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。

此测量需要使用温度控制的超低噪声基准电压源，以免温漂成为影响噪声性能的主要因素。

零电平输出电压的噪声最低，此时噪声仅来自DAC内核。选择零电平码时，DAC会衰减各基准电压路径的噪声贡献。

图4. 采用精密基准电压源时，100秒内测得的DAC输出电压噪声：满量程（绿色）、中间电平（红色）和零电平（蓝色）

 

随着测量时间变长，较低频率将包含在内，而峰峰值将变大。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。

欲查看完整原理图和印刷电路板的布局，请参见CN-0257设计支持包： www.analog.com/CN0257-DesignSupport

AD5790支持各种不同的输出范围，从0 V至+5 V、最高±10 V以及该范围内的任意值。如果需要双极性配置，则VREFN引脚必须用反相精密高基准电压供电。此外，同样需要精密放大器技术和精密温度稳定型电阻。

AD8676 是运算放大器AD8675的双通道版本，需要时可以用于该电路。

设备要求

软件安装
AD5790评估套件包括一张光盘，其中含有自安装软件。该软件兼容Windows XP (SP2)和Vista（32位和64位）。如果安装文件未自动运行，您可以运行光盘中的 setup.exe 文件。

请先安装评估软件，再将评估板和SDP板连接到PC的USB端口，确保PC能够正确识别评估系统。

1. 盘文件安装完毕后，按照“电源”部分所述为AD5790评估板接通电源。将SDP板（通过连接器A或连接器B）连接到AD5790评估板，然后利用附送的电缆连接到PC的USB端口。
2. 检测到评估系统后，确认出现的所有对话框。这样就完成了安装。 测试配置的功能框图如图6所示。

功能框图
测试配置的功能框图如图6所示。

电源
必须提供下列外部电源：

图5. 评估软件主窗口

 

图6. 测试设置功能框图

 

默认链路选项设置
默认链路选项如表1所示。该板的默认配置为：VREFP = +10 V，VREFN = −10 V，输出范围为±10 V。

要将该板配置为图1所示电路，必须对表1中的默认链路配置进行如下改动：

1. 将LK3放在位置A
2. 移除LK4
3. 将LK8放在位置B
4. 移除LK9

这些改动将输出缓冲放大器的增益配置为1，并将AD5790的VREFN引脚连接到地。此外，评估板上标有VREF的SMB连接器现在配置为可接受+5 V精密基准电压。

欲了解有关EVAL-AD5790SDZ测试设置的更多信息，请参阅用户指南 UG-342 。

测试
VOUT_BUF SMB连接器连接到Agilent 3458A万用表。线性度测量利用AD5790 GUI上的“测量DAC输出”选项卡进行。

噪声漂移测量也是在VOUT_BUF SMB连接器上进行。输出电压利用AD5790 GUI上的“设置电压”选项卡进行。峰峰值噪声漂移的测量时间为100秒。

欲详细了解参数定义以及如何利用测量数据计算INL、DNL和噪声，请参阅AD5790数据手册的“术语”部分和以下文献： 数据转换手册第5章“测试数据转换器”，ADI公司