為了提高儀器儀表系統(tǒng)的精度，數(shù)模轉(zhuǎn)換器" title="數(shù)模轉(zhuǎn)換器">數(shù)模轉(zhuǎn)換器的性能已經(jīng)突破16位，而以前必須采用笨重、昂貴,、慢速的Kelvin-Varley分壓器才能達(dá)到這一性能水平。

然而,，隨著時(shí)間的推移,，市場和技術(shù)不斷發(fā)展，關(guān)于精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器的定義也已發(fā)生變化,。半導(dǎo)體處理技術(shù),、DAC" title="DAC">DAC設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展使高線性度" title="線性度">線性度數(shù)模轉(zhuǎn)換器成為可能。這種轉(zhuǎn)換器不僅穩(wěn)定性好,、建立時(shí)間短,，而且能提供優(yōu)于1ppm的20位性能。這類小型IC保證性能規(guī)格,，無需校準(zhǔn)且簡單易用,。

1ppm DAC的應(yīng)用范圍覆蓋從醫(yī)療MRI系統(tǒng)中的梯度線圈控制到質(zhì)譜測定、測試和測量應(yīng)用中的精密源和定位,。

性能指標(biāo)

圖1所示電路提供1ppm性能,，其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是積分非線性度、微分非線性度和0.1Hz至10Hz峰峰值噪聲,。



圖1中,，U1是一個(gè)具有1ppm線性度指標(biāo)的20位DAC。U2是一個(gè)精密雙通道放大器，用作DAC基準(zhǔn)電壓輸入的驅(qū)動(dòng)-檢測緩沖器,。U3是一個(gè)精密輸出緩沖器,，用于驅(qū)動(dòng)負(fù)載，其關(guān)鍵要求與基準(zhǔn)電壓緩沖器相似,，其中包括低噪聲,、低失調(diào)電壓、低漂移和低輸入偏置電流,。

雖然有1ppm以下的精密元件可供使用，但構(gòu)建1ppm系統(tǒng)并非易事,，不可等閑視之,。1ppm精度電路中的主要誤差源為噪聲、溫度漂移和熱電電壓,。

*噪聲

為實(shí)現(xiàn)真正的1ppm系統(tǒng),，必須將噪聲降至最低水平。U1的噪聲頻譜密度為7.5 nV/vHz,。U2和U3的額定噪聲密度為2.8 nV/vHz,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于DAC的噪聲貢獻(xiàn)。

寬帶噪聲可以通過濾波消除,，但0.1Hz至10Hz范圍內(nèi)的低頻噪聲(1/f)卻無法濾除,。要盡量降低這一噪聲，最有效的方法在于器件優(yōu)化和選擇,。U1在0.1Hz至10Hz帶寬下產(chǎn)生0.6μVp-p噪聲,，遠(yuǎn)低于1LSB(對(duì)于±10V輸出，1LSB = 19μV),。系統(tǒng)中1/f噪聲的設(shè)計(jì)目標(biāo)值應(yīng)為0.1LSB或2µV左右,。信號(hào)鏈中的三個(gè)放大器在電路輸出端總共產(chǎn)生大約0.2μVp-p的噪聲。加上U1的0.6μVp-p噪聲,，預(yù)計(jì)總1/f噪聲為0.8μVp-p,。

*溫度漂移

溫度漂移是精密電路中的另一個(gè)主要誤差源。U1的溫度系數(shù)為0.05ppm/°C,。U2的漂移系數(shù)為0.6µV/°C,，即總體會(huì)向電路中引入0.03ppm/°C的漂移。同時(shí)U3再貢獻(xiàn)0.03ppm/°C的輸出漂移,，這樣三者相加后為0.11 ppm/°C,。對(duì)于調(diào)節(jié)和增益電路，建議使用低漂移,、熱匹配電阻網(wǎng)絡(luò),，如Vishay的300144Z和300145Z。

*熱電電壓

熱電電壓是塞貝克(Seebeck)效應(yīng)的結(jié)果：異質(zhì)金屬結(jié)面處會(huì)產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電壓。所產(chǎn)生的電壓在0.2µV/°C(銅-銅結(jié)面)至1mV/°C(銅-銅氧化物結(jié)面)之間,。

熱電電壓表現(xiàn)為與1/f噪聲相似的低頻漂移,。使所有連接保持整潔，消除氧化物,，并且屏蔽電路使其不受氣流影響,，可以大幅降低熱電電壓。圖4顯示了開放式電路與屏蔽式電路在電壓漂移上的差異,。

長期穩(wěn)定性

精密模擬IC雖然很穩(wěn)定,，但確實(shí)會(huì)發(fā)生長期老化變化。DAC的長期穩(wěn)定性一般好于0.1ppm/1000小時(shí),，但老化不具累積性質(zhì),，而是遵循平方根規(guī)則。若某個(gè)器件的老化速度為1ppm/1000小時(shí),，則2000小時(shí)老化√2ppm,，3000小時(shí)老化√3ppm，依此類推,。一般地,，溫度每降低25°C，時(shí)間就會(huì)延長10倍;因此,，當(dāng)工作溫度為100°C時(shí),，在10000小時(shí)的期間(約60星期)，預(yù)計(jì)老化為0.1ppm,。以此類推,，在10年期間，預(yù)計(jì)老化為0.32ppm,。

電路構(gòu)建和布局

在注重精度的電路中,，精心考慮電源和接地回路布局有助于確保達(dá)到額定性能。在設(shè)計(jì)PCB時(shí),，應(yīng)采用模擬部分與數(shù)字部分相分離的設(shè)計(jì),，并限制在電路板的不同區(qū)域內(nèi)。

必須采用足夠大(10µF)的電源旁路電容,，與每個(gè)電源上的0.1µF電容并聯(lián),，并且盡可能靠近封裝。這些電容應(yīng)具有低等效串聯(lián)電阻和低等效串聯(lián)電感,。各電源線路上若串聯(lián)一個(gè)鐵氧體磁珠,，則可進(jìn)一步降低通過器件的高頻噪聲。

電源線路應(yīng)采用盡可能寬的走線,，以提供低阻抗路徑,，并減小電源線路上的毛刺噪聲影響,。時(shí)鐘等快速開關(guān)信號(hào)應(yīng)利用數(shù)字地屏蔽起來，以免向電路板上的其它器件輻射噪聲,，并且絕不應(yīng)靠近基準(zhǔn)輸入或位于封裝之下,。避免數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)交叉，且它們在電路板相反兩側(cè)上的走線應(yīng)彼此垂直,，以減小電路板的饋通影響,。

圖2



構(gòu)建1ppm模數(shù)轉(zhuǎn)換解決方案

一種典型的現(xiàn)代1ppm模數(shù)轉(zhuǎn)換解決方案由兩個(gè)16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成——一個(gè)主DAC和一個(gè)輔助DAC。其輸出經(jīng)縮放和組合后產(chǎn)生更高的分辨率,。主DAC輸出與經(jīng)衰減的輔助DAC輸出相加,，使輔助DAC填補(bǔ)主DAC LSB步長之間的分辨率間隙。

組合后的輸出需要具備單調(diào)性,，但線性度無需極高,，因?yàn)楦咝阅苁峭ㄟ^精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器的恒定電壓反饋取得的，該轉(zhuǎn)換器會(huì)校正固有的元件誤差,。因此，電路精度受ADC的限制而不受限于DAC,。然而,，由于要求恒定電壓反饋以及不可避免的環(huán)路延遲，這種解決方案速度較慢,，建立時(shí)間可能長達(dá)數(shù)秒,。

盡管這種電路能夠取得1ppm的精度，但設(shè)計(jì)難度較大,，很可能需要重復(fù)設(shè)計(jì)多次,，而且需要通過軟件引擎和精密ADC來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精度。為了保證1ppm的精度,，ADC還需進(jìn)行校準(zhǔn),，因?yàn)槟壳笆袌錾线€沒有保證1ppm線性度的ADC。此處所示框圖只是概念的展示,，真實(shí)的電路要復(fù)雜得多,，涉及多個(gè)增益、衰減和求和級(jí),，并包括許多元件,。

同時(shí)還需要數(shù)字電路，以方便DAC與ADC之間的接口,，更不用說用于誤差校正的軟件了,。