為了提高儀器儀表系統(tǒng)的精度,，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分壓器才能達到這一性能水平,。
然而，隨著時間的推移,，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。半導體處理技術(shù),、DAC設計和校準技術(shù)的發(fā)展使高線性度數(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，無需校準且簡單易用,。
1ppm DAC的應用范圍覆蓋從醫(yī)療MRI系統(tǒng)中的梯度線圈控制到質(zhì)譜測定,、測試和測量應用中的精密源和定位。
性能指標
圖1所示電路提供1ppm性能,，其關(guān)鍵技術(shù)指標是積分非線性度,、微分非線性度和0.1Hz至10Hz峰峰值噪聲。
圖1中,，U1是一個具有1ppm線性度指標的20位DAC,。U2是一個精密雙通道放大器，用作DAC基準電壓輸入的驅(qū)動-檢測緩沖器,。U3是一個精密輸出緩沖器,，用于驅(qū)動負載，其關(guān)鍵要求與基準電壓緩沖器相似,，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，遠遠低于DAC的噪聲貢獻,。
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，遠低于1LSB(對于±10V輸出,，1LSB = 19μV),。系統(tǒng)中1/f噪聲的設計目標值應為0.1LSB或2µV左右。信號鏈中的三個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,，預計總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，即總體會向電路中引入0.03ppm/°C的漂移,。同時U3再貢獻0.03ppm/°C的輸出漂移,，這樣三者相加后為0.11 ppm/°C。對于調(diào)節(jié)和增益電路,，建議使用低漂移,、熱匹配電阻網(wǎng)絡，如Vishay的300144Z和300145Z,。
*熱電電壓
熱電電壓是塞貝克(Seebeck)效應的結(jié)果：異質(zhì)金屬結(jié)面處會產(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,，但確實會發(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，但老化不具累積性質(zhì),，而是遵循平方根規(guī)則,。若某個器件的老化速度為1ppm/1000小時，則2000小時老化√2ppm,，3000小時老化√3ppm,，依此類推。一般地,，溫度每降低25°C,，時間就會延長10倍;因此，當工作溫度為100°C時,，在10000小時的期間(約60星期),，預計老化為0.1ppm。以此類推,，在10年期間,，預計老化為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到額定性能,。在設計PCB時，應采用模擬部分與數(shù)字部分相分離的設計,，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)一個鐵氧體磁珠,，則可進一步降低通過器件的高頻噪聲,。
電源線路應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,。時鐘等快速開關(guān)信號應利用數(shù)字地屏蔽起來，以免向電路板上的其它器件輻射噪聲,，并且絕不應靠近基準輸入或位于封裝之下,。避免數(shù)字信號與模擬信號交叉，且它們在電路板相反兩側(cè)上的走線應彼此垂直,，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16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成——一個主DAC和一個輔助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,，因為高性能是通過精密模數(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,，建立時間可能長達數(shù)秒。
盡管這種電路能夠取得1ppm的精度,，但設計難度較大,，很可能需要重復設計多次，而且需要通過軟件引擎和精密ADC來實現(xiàn)目標精度,。為了保證1ppm的精度,，ADC還需進行校準，因為目前市場上還沒有保證1ppm線性度的ADC,。此處所示框圖只是概念的展示,，真實的電路要復雜得多，涉及多個增益,、衰減和求和級,，并包括許多元件。
同時還需要數(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。