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半导体

如何利用1ppm DAC简化精密仪器仪表设计

为了提高仪器仪表系统的精度,数模转换器的性能已经突破16位,而以前必须采用笨重、昂贵、慢速的Kelvin-Varley分压器才能达到这一性能水平。


然而,随着时间的推移,市场和技术不断发展,关于精密数模转换器的定义也已发生变化。半导体处理技术、DAC设计和校准技术的发展使高线性度数模转换器成为可能。这种转换器不仅稳定性好、建立时间短,而且能提供优于1ppm的20位性能。这类小型IC保证性能规格,无需校准且简单易用。


1ppm DAC的应用范围覆盖从医疗MRI系统中的梯度线圈控制到质谱测定、测试和测量应用中的精密源和定位。


性能指标


图1所示电路提供1ppm性能,其关键技术指标是积分非线性度、微分非线性度和0.1Hz至10Hz峰峰值噪声。



 


图1中,U1是一个具有1ppm线性度指标的20位DAC。U2是一个精密双通道放大器,用作DAC基准电压输入的驱动-检测缓冲器。U3是一个精密输出缓冲器,用于驱动负载,其关键要求与基准电压缓冲器相似,其中包括低噪声、低失调电压、低漂移和低输入偏置电流。


虽然有1ppm以下的精密元件可供使用,但构建1ppm系统并非易事,不可等闲视之。1ppm精度电路中的主要误差源为噪声、温度漂移和热电电压。


*噪声


为实现真正的1ppm系统,必须将噪声降至最低水平。U1的噪声频谱密度为7.5 nV/vHz。U2和U3的额定噪声密度为2.8 nV/vHz,远远低于DAC的噪声贡献。


宽带噪声可以通过滤波消除,但0.1Hz至10Hz范围内的低频噪声(1/f)却无法滤除。要尽量降低这一噪声,最有效的方法在于器件优化和选择。U1在0.1Hz至10Hz带宽下产生0.6μVp-p噪声,远低于1LSB(对于±10V输出,1LSB = 19μV)。系统中1/f噪声的设计目标值应为0.1LSB或2µV左右。信号链中的三个放大器在电路输出端总共产生大约0.2μVp-p的噪声。加上U1的0.6μVp-p噪声,预计总1/f噪声为0.8μVp-p。


*温度漂移


温度漂移是精密电路中的另一个主要误差源。U1的温度系数为0.05ppm/°C。U2的漂移系数为0.6µV/°C,即总体会向电路中引入0.03ppm/°C的漂移。同时U3再贡献0.03ppm/°C的输出漂移,这样三者相加后为0.11 ppm/°C。对于调节和增益电路,建议使用低漂移、热匹配电阻网络,如Vishay的300144Z和300145Z。


*热电电压


热电电压是塞贝克(Seebeck)效应的结果:异质金属结面处会产生与温度相关的电压。所产生的电压在0.2µV/°C(铜-铜结面)至1mV/°C(铜-铜氧化物结面)之间。


热电电压表现为与1/f噪声相似的低频漂移。使所有连接保持整洁,消除氧化物,并且屏蔽电路使其不受气流影响,可以大幅降低热电电压。图4显示了开放式电路与屏蔽式电路在电压漂移上的差异。


长期稳定性


精密模拟IC虽然很稳定,但确实会发生长期老化变化。DAC的长期稳定性一般好于0.1ppm/1000小时,但老化不具累积性质,而是遵循平方根规则。若某个器件的老化速度为1ppm/1000小时,则2000小时老化√2ppm,3000小时老化√3ppm,依此类推。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100°C时,在10000小时的期间(约60星期),预计老化为0.1ppm。以此类推,在10年期间,预计老化为0.32ppm。


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。


必须采用足够大(10µF)的电源旁路电容,与每个电源上的0.1µF电容并联,并且尽可能靠近封装。这些电容应具有低等效串联电阻和低等效串联电感。各电源线路上若串联一个铁氧体磁珠,则可进一步降低通过器件的高频噪声。


电源线路应采用尽可能宽的走线,以提供低阻抗路径,并减小电源线路上的毛刺噪声影响。时钟等快速开关信号应利用数字地屏蔽起来,以免向电路板上的其它器件辐射噪声,并且绝不应靠近基准输入或位于封装之下。避免数字信号与模拟信号交叉,且它们在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影响。


图2



 


构建1ppm模数转换解决方案


一种典型的现代1ppm模数转换解决方案由两个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。


组合后的输出需要具备单调性,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,该转换器会校正固有的元件误差。因此,电路精度受ADC的限制而不受限于DAC。然而,由于要求恒定电压反馈以及不可避免的环路延迟,这种解决方案速度较慢,建立时间可能长达数秒。


尽管这种电路能够取得1ppm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1ppm的精度,ADC还需进行校准,因为目前市场上还没有保证1ppm线性度的ADC。此处所示框图只是概念的展示,真实的电路要复杂得多,涉及多个增益、衰减和求和级,并包括许多元件。


同时还需要数字电路,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。


作者简介:


Maurice Egan是ADI公司精密转换器产品部门的产品应用工程师。



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