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如何利用1ppm DAC简化精密仪器仪表设计

Maurice Egan?? 2013年07月09日 ?? 收藏0
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7.5nV/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0.6μV p-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0.2μV p-p的噪声。加上U1的0.6μV p-p噪声,预计总1/f噪声为0.8μV p-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2显示了开放式电路与屏蔽式电路在电压漂移上的差异。

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第1页:1ppm DAC的性能指标

第2页:构建1ppm模数转换解决方案



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