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如何利用1ppm DAC简化精密仪器仪表设计
郑成枝
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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。
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的噪声频谱密度为7.5 nV/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。
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