高精度电压源

我们将展示一款使用ADI/LTC产品的超高精度可编程电压源。AD5791内置LTZ1000、ADA4077和AD8675/AD8676，可用于提供可编程电压源，在1 ppm INL和优于1 ppm FSR的长期漂移下实现1 ppm分辨率。这种强大的组合有助于为放射科医生提供所需的卓越图像清晰度、分辨率和对比度，使他们能够看到更小的解剖结构。想想当应用于MRI（磁共振成像）时这意味着什么。增强的器官和软组织图像将使医疗专业人员能够更准确地检测心脏问题、肿瘤、囊肿和身体各个部位的异常。这只是这种可编程电压源的众多应用之一。

图1.可编程电压源。

其他需要 1 ppm 精度的应用包括：

科学、医疗和航空航天仪器

医疗成像系统

激光束定位器

振动系统

测试和测量

吃

质谱

源测量单位 （SMU）

数据采集/分析仪

工业自动化

半导体制造

过程自动化

电源控制

先进的机器人技术

对于测试和测量系统，1 ppm 的分辨率和精度提高了整体测试设备的精度和粒度，从而可以更精细地控制和激励外部源和纳米执行器。在工业自动化中，1 ppm的分辨率和精度提供了在纳米尺度上移动、改变或定位致动器所需的精度。

AD5791

AD5791是一款20位、无缓冲电压输出数模转换器，具有1 ppm（1 LSB INL）和1 LSB DNL（保证单调性）的相对精度。它具有令人印象深刻的0.05 ppm/°C温度漂移、0.1 ppm p-p噪声和优于1 ppm的长期稳定性。AD5791内置精密R-2R架构，采用先进的薄膜电阻匹配技术。它采用高达33 V的双极性电源供电，可由5 V至VDD –2.5 V范围内的正基准电压源和VSS 2.5 V至0 V范围内的负基准电压源驱动。AD5791采用多功能3线串行接口，工作时钟速率高达35 MHz，兼容标准SPI、QSPI™、MICROWIRE™和DSP接口标准。AD5791采用20引脚TSSOP封装。

图2.AD95791 DAC梯形结构

LTZ1000

LTZ1000 是一款超稳定的温度可控基准。它提供7.2 V输出，噪声为1.2 μV p-p，长期稳定性为2 μV/√kHr，温度漂移为0.05 ppm/°C。 该器件包含一个埋入式齐纳基准电压源、一个用于温度稳定的加热器电阻和一个温度检测晶体管。外部元件用于设置工作电流和温度稳定基准电压源，从而实现最大的灵活性和最佳的长期稳定性和噪声。

图3.LTZ1000 简化原理图。

ADA4077

ADA4077是一款高精度、低噪声运算放大器，具有极低失调电压和极低输入偏置电流特性。与JFET放大器不同，低偏置和失调电流对环境温度相对不敏感，甚至高达125°C。 输出在容性负载超过1000 pF时保持稳定，无需外部补偿。

AD8675/AD8676

AD8675/AD8676均为精密轨到轨运算放大器，在整个工作温度范围内具有超低失调、漂移和电压噪声以及极低的输入偏置电流。

一些电路注意事项

噪声

低频噪声必须保持在最低水平，以避免影响电路的直流性能。在0.1 Hz至10 Hz带宽下，AD5791产生约0.6 μV 峰峰值噪声，每个ADA4077产生0.25 μV 峰峰值噪声，AD8675产生0.1 μV 峰峰值噪声，LTZ1000产生1.2 μV 峰峰值噪声。选择电阻值是为了确保其约翰逊噪声不会显著增加总噪声水平。

AD5791基准电压缓冲器配置

用于驱动AD5791的REFP和REFN引脚的基准电压缓冲器必须配置为单位增益。任何流过增益设置电阻进入基准检测引脚的额外电流都会降低DAC的精度。

AD5791 INL灵敏度

AD5791 INL性能对用作基准电压缓冲器的放大器的输入偏置电流略微敏感。因此，选择了具有低输入偏置电流的放大器。

温度漂移

为了保持整个系统的低温度漂移系数，所选的各个组件必须具有低温度漂移。AD5791的热电比为0.05 ppm FSR/°C，LTZ1000的TC为0.05 ppm/°C，ADA4077和AD8675的热压系数分别为0.005 ppm FSR/°C和0.01ppm FSR/°C。

长期漂移

长期漂移是另一个重要参数，可能导致系统精度受到严重限制。AD5791在125°C下的长期稳定性通常优于0.1 ppm/1000小时。 LTZ1000 可实现每月约 1 μV 的长期稳定性。

图4.典型器件从时间 = 0 开始的长期稳定性，无预处理或老化。

实验室结果

INL误差是在实验室环境温度下测量的，方法是将AD5791的输入代码从零电平更改为满量程，代码步长为5。输出缓冲器（AD8675）输出端的电压使用8.5位DVM记录在每个代码上。结果完全符合±1 LSB规范。

图5.环境温度下高精度电压源的INL误差。

噪声

在中间量程下测得的噪声为1.1 μV p-p，在满量程下测得的噪声为3.7 μV p-p。当选择中间电平代码时，DAC会衰减每个基准电压路径的噪声贡献，因此中间电平代码的噪声系数较低。

图6.0.1 Hz至10 Hz带宽内的电压噪声。

长期漂移

系统长期漂移是在25°C下测量的。 AD5791编程为5 V（3/4电平），在1000小时内每30分钟测量一次输出电压。观察到的漂移值小于 1 ppm FSR。

图7.V外漂移（百万分钟满量比）。

结论

除了易于使用之外，AD5791还提供1 ppm的保证精度。但是，选择正确的元件和基准电压源对于充分利用AD5791的精密规格至关重要。LTZ1000、ADA4077、AD8676 和 AD8675 具有低噪声、低温漂移、低长期漂移和高精度特性，可提高系统在整个温度和时间范围内的精度、稳定性和可重复性。

审核编辑：郭婷