電路功能與優(yōu)勢
圖1所示電路提供20位可編程電壓,，其輸出范圍為−10 V至+10 V ,，同時積分非線性為±1 LSB、微分非線性為±1LSB,，并且具有低噪聲特性。
該電路的數(shù)字輸入采用串行輸入,，并與標準SPI,、QSPI™、MICROWIRE®和DSP接口標準兼容,。對于高精度應用,，通過結合使用AD5791、AD8675和AD8676等精密器件,，該電路可以提供高精度和低噪聲性能,。
基準電壓緩沖對于設計至關重要，因為DAC基準輸入的輸入阻抗與碼高度相關,，如果DAC基準電壓源未經(jīng)充分緩沖,，將導致線性誤差。AD8676開環(huán)增益高達120 dB,，已經(jīng)過驗證和測試,，符合本電路應用關于建立時間、失調電壓和低阻抗驅動能力的要求,。而AD5791經(jīng)過表征和工廠校準,，可使用雙通道運算放大器AD8676對其基準電壓輸入進行緩沖，從而進一步增強配套器件的可靠性,。
這一器件組合可以提供業(yè)界領先的20位分辨率,、±1 LSB積分非線性(INL)和±1 LSB微分非線性(DNL)，可以確保單調性,，并且具有低功耗,、小尺寸PCB和高性價比等特性。
圖1. 20位精密,、±10 V電壓源（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）
電路描述
圖1所示數(shù)模轉換器(DAC)為AD5791,，這是一種具有SPI接口的20位高壓轉換器,，提供±1 LSB INL、±1 LSB DNL性能和7.5 nV/√Hz噪聲頻譜密度,。另外,，，AD5791還具有極低的溫漂 (0.05 ppm/°C)特性,。AD5791采用的精密架構要求強制檢測緩沖其基準電壓輸入,，從而確保達到規(guī)定的線性度。選擇用于緩沖基準輸入的放大器（B1和B2）應具有低噪聲,、低溫漂和低輸入偏置電流特性,。針對此功能推薦用AD8676放大器，這是一種超精密,、36 V,、2.8 nV/√Hz雙通道運算放大器，具有0.6 μV/°C低失調漂移和2 nA輸入偏置電流,。此外,，AD5791經(jīng)過表征和工廠校準，可使用該雙通道運算放大器來緩沖其電壓基準輸入,，從而進一步增強配套器件的可靠性,。
圖1顯示AD5791配置有獨立的正和負基準電壓，因此輸出電壓范圍是從負基準電壓到正基準電壓,，本例中為−10 V到+10 V,。輸出緩沖器為AD8675，它是AD8676的單通道版本,，具有低噪聲和低漂移特性,。同時使用放大器AD8676（A1和A2），將+5 V基準電壓放大為+10 V和−10 V,。這些放大電路中的R2,、R3、R4和R5是精密金屬薄膜電阻,，容差為0.01%,，溫度系數(shù)為0.6 ppm/°C。為實現(xiàn)整個溫度范圍內(nèi)的最佳性能,，可以使用Vishay 300144或VSR144系列等電阻網(wǎng)絡,。所選電阻值較低（1 kΩ和2 kΩ），以便將系統(tǒng)噪聲保持在較低水平,。R1和C1構成低通濾波器,，截止頻率大約為10 Hz。該濾波器用于衰減基準電壓源噪聲。
線性度測量
下列數(shù)據(jù)進一步證明了圖1所示電路的精密性能,。圖2和圖3顯示積分非線性和微分非線性與DAC碼的函數(shù)關系,。從圖中可以明顯看出，這兩種特性分別位于±1 LSB和±1 LSB的規(guī)格范圍內(nèi),。
該電路的總非調整誤差由各種直流誤差共同組成,，即INL誤差、零電平誤差和滿量程誤差,。圖4所示為總非調整誤差與DAC碼的關系圖,。最大誤差出現(xiàn)在DAC碼為0（零電平誤差）和1,048,575（滿量程誤差）處。這與預期相符,，是由電阻對R2和R3,、R4和R5的不匹配以及放大器A1、A2,、B1和B2的失調誤差（見圖1）引起的,。
本例中，電阻對的額定不匹配最大值為0.02%（典型值遠低于此）,。放大器失調誤差為75 μV（最大值）或滿量程范圍的0.000375%,，相對于電阻不匹配所導致的誤差可忽略不計。因此,，預期的滿量程和零電平誤差最大值約為0.02%或210 LSB。圖4顯示實測滿量程誤差為1 LSB,，實測零電平誤差為4 LSB或滿量程范圍的0.0003%,，表明所有器件的性能都明顯優(yōu)于其額定最大容差。
圖2. 積分非線性與DAC碼的關系
圖3. 微分非線性與DAC碼的關系
圖4. 總非調整誤差與DAC碼的關系
噪聲測量
要實現(xiàn)高精度,，電路輸出端的峰峰值噪聲必須維持在1 LSB以下,，對于20位分辨率和20 V峰峰值電壓范圍則為19.07 μV。圖5所示為10秒內(nèi)在0.1 Hz至10 Hz帶寬內(nèi)測得的峰峰值噪聲,。三種條件下的峰峰值分別為1.48 μV（中間電平輸出）,、4.66 μV（滿量程輸出）和5.45 μV（零電平輸出）。中間電平輸出的噪聲最低,，此時噪聲僅來自DAC內(nèi)核,。選擇中間電平碼時，DAC會衰減各基準電壓路徑的噪聲貢獻,。
圖5. 電壓噪聲（0.1 Hz至10 Hz帶寬）
不過,，實際應用中不會在0.1 Hz處有高通截止頻率來衰減1/f噪聲，但會在其通帶中包含低至DC的頻率,；因此,，測得的峰峰值噪聲更為實際，如圖6所示。本例中,，電路輸出端的噪聲是100秒內(nèi)測得的,，測量充分涵蓋低至0.01Hz的頻率。截止頻率上限大約為14 Hz并受限于測量設置,。對于圖6所示的三種條件,，對應峰峰值分別為4.07 μV（中間電平輸出）、11.85 μV（滿量程輸出）和15.37 μV（零電平輸出）,。最差情況下的峰峰值 (15.37 μV)大致相當于0.8 LSB,。
圖6. 100秒內(nèi)測得的電壓噪聲
隨著測量時間變長，將包括較低頻率,，而峰峰值將變大,。頻率較低時，溫度漂移和熱電偶效應會變成誤差源,。通過選擇AD5791,、AD8675和AD8676等熱系數(shù)較低的器件，并仔細考慮電路結構,，可以將這些效應降至最低,，請參閱“了解更多信息”部分中的鏈接文檔。
常見變化
AD5791支持各種不同的輸出范圍,，從0 V至+5 V,、最高±10 V以及該范圍內(nèi)的任意值。根據(jù)需要,，圖1所示的配置可以用來產(chǎn)生對稱或非對稱范圍,。基準電壓分別加在VREFP和VREFN,，輸出緩沖器應按照AD5791數(shù)據(jù)手冊所述配置為單位增益,，將AD5791內(nèi)部控制寄存器的RBUF位設置為邏輯1。
AD5791還提供增益為2的工作模式,，可以從一個正基準電壓產(chǎn)生對稱的雙極性輸出范圍,，如AD5791數(shù)據(jù)手冊所述，從而無需產(chǎn)生負基準電壓,。然而,，這種模式會引起較大的滿量程和零電平誤差。將AD5791內(nèi)部控制寄存器的RBUF位設為邏輯0,，便可選擇這種模式,。
電路評估與測試
圖1所示電路在經(jīng)過修改的AD5791評估板上構建。有關AD5791評估板和測試方法的詳細信息,，參見評估板用戶指南 UG-185,。