20位、线性、低噪声、精密、双极性±10V直流电压源 (CN0191)

图1所示电路提供20位可编程电压，其输出范围为−10 V至+10 V ，同时积分非线性为±1 LSB、微分非线性为±1LSB，并且具有低噪声特性。

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AD5791、AD8675和AD8676等精密器件，该电路可以提供高精度和低噪声性能。

基准电压缓冲对于设计至关重要，因为DAC基准输入的输入阻抗与码高度相关，如果DAC基准电压源未经充分缓冲，将导致线性误差。AD8676开环增益高达120 dB，已经过验证和测试，符合本电路应用关于建立时间、失调电压和低阻抗驱动能力的要求。而AD5791经过表征和工厂校准，可使用双通道运算放大器AD8676对其基准电压输入进行缓冲，从而进一步增强配套器件的可靠性。

这一器件组合可以提供业界领先的20位分辨率、±1 LSB积分非线性(INL)和±1 LSB微分非线性(DNL)，可以确保单调性，并且具有低功耗、小尺寸PCB和高性价比等特性。

图1. 20位精密、±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AD5791，这是一种具有SPI接口的20位高压转换器，提供±1 LSB INL、±1 LSB DNL性能和7.5 nV/√Hz噪声频谱密度。另外，，AD5791还具有极低的温漂 (0.05 ppm/°C)特性。AD5791采用的精密架构要求强制检测缓冲其基准电压输入，从而确保达到规定的线性度。选择用于缓冲基准输入的放大器（B1和B2）应具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性。针对此功能推荐用AD8676放大器，这是一种超精密、36 V、2.8 nV/√Hz双通道运算放大器，具有0.6 μV/°C低失调漂移和2 nA输入偏置电流。此外，AD5791经过表征和工厂校准，可使用该双通道运算放大器来缓冲其电压基准输入，从而进一步增强配套器件的可靠性。

图1显示AD5791配置有独立的正和负基准电压，因此输出电压范围是从负基准电压到正基准电压，本例中为−10 V到+10 V。输出缓冲器为AD8675，它是AD8676的单通道版本，具有低噪声和低漂移特性。同时使用放大器AD8676（A1和A2），将+5 V基准电压放大为+10 V和−10 V。这些放大电路中的R2、R3、R4和R5是精密金属薄膜电阻，容差为0.01%，温度系数为0.6 ppm/°C。为实现整个温度范围内的最佳性能，可以使用Vishay 300144或VSR144系列等电阻网络。所选电阻值较低（1 kΩ和2 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
下列数据进一步证明了图1所示电路的精密性能。图2和图3显示积分非线性和微分非线性与DAC码的函数关系。从图中可以明显看出，这两种特性分别位于±1 LSB和±1 LSB的规格范围内。

该电路的总非调整误差由各种直流误差共同组成，即INL误差、零电平误差和满量程误差。图4所示为总非调整误差与DAC码的关系图。最大误差出现在DAC码为0（零电平误差）和1,048,575（满量程误差）处。这与预期相符，是由电阻对R2和R3、R4和R5的不匹配以及放大器A1、A2、B1和B2的失调误差（见图1）引起的。

本例中，电阻对的额定不匹配最大值为0.02%（典型值远低于此）。放大器失调误差为75 μV（最大值）或满量程范围的0.000375%，相对于电阻不匹配所导致的误差可忽略不计。因此，预期的满量程和零电平误差最大值约为0.02%或210 LSB。图4显示实测满量程误差为1 LSB，实测零电平误差为4 LSB或满量程范围的0.0003%，表明所有器件的性能都明显优于其额定最大容差。

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

 

图4. 总非调整误差与DAC码的关系

 

噪声测量
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20 V峰峰值电压范围则为19.07 μV。图5所示为10秒内在0.1 Hz至10 Hz带宽内测得的峰峰值噪声。三种条件下的峰峰值分别为1.48 μV（中间电平输出）、4.66 μV（满量程输出）和5.45 μV（零电平输出）。中间电平输出的噪声最低，此时噪声仅来自DAC内核。选择中间电平码时，DAC会衰减各基准电压路径的噪声贡献。

图5. 电压噪声（0.1 Hz至10 Hz带宽）

 

不过，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DC的频率；因此，测得的峰峰值噪声更为实际，如图6所示。本例中，电路输出端的噪声是100秒内测得的，测量充分涵盖低至0.01Hz的频率。截止频率上限大约为14 Hz并受限于测量设置。对于图6所示的三种条件，对应峰峰值分别为4.07 μV（中间电平输出）、11.85 μV（满量程输出）和15.37 μV（零电平输出）。最差情况下的峰峰值 (15.37 μV)大致相当于0.8 LSB。

图6. 100秒内测得的电压噪声

 

随着测量时间变长，将包括较低频率，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AD5791、AD8675和AD8676等热系数较低的器件，并仔细考虑电路结构，可以将这些效应降至最低，请参阅“了解更多信息”部分中的链接文档。

AD5791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。根据需要，图1所示的配置可以用来产生对称或非对称范围。基准电压分别加在V_REFP和V_REFN，输出缓冲器应按照AD5791数据手册所述配置为单位增益，将AD5791内部控制寄存器的RBUF位设置为逻辑1。

AD5791还提供增益为2的工作模式，可以从一个正基准电压产生对称的双极性输出范围，如AD5791数据手册所述，从而无需产生负基准电压。然而，这种模式会引起较大的满量程和零电平误差。将AD5791内部控制寄存器的RBUF位设为逻辑0，便可选择这种模式。

图1所示电路在经过修改的AD5791评估板上构建。有关AD5791评估板和测试方法的详细信息，参见评估板用户指南UG-185。