一款溫度漂移為0.1ppm/oC的標準實(shí)驗室等級20位DAC

引言

　　近來(lái)，高精度、儀表等級的數模轉換技術(shù)取得了明顯的進(jìn)步。10年以前，12位數模轉換器(DAC)就被認為是優(yōu)質(zhì)器件。如今，16位DAC已經(jīng)面市，而且在系統設計中的應用也越來(lái)越普遍。這些16位DAC是真正的精密型器件，其線(xiàn)性誤差小于1LSB，溫度漂移低于1ppm/℃。但是，有些DAC應用還需要更高的性能。自動(dòng)測試設備、儀器、校準儀表、激光修整器、醫療電子產(chǎn)品以及其它應用常常需要16位以上的DAC準確度。人們已經(jīng)生產(chǎn)出了電路組件形式的18位DAC，不過(guò)它們價(jià)格昂貴，并且需要進(jìn)行經(jīng)常性的校準。準確度達20位甚至23位以上(0.1ppm/℃!)的DAC由手動(dòng)開(kāi)關(guān)式開(kāi)爾文-華萊(Kelvin-Varley)分壓器來(lái)提供。這些器件雖然具有令人驚嘆的準確度，但缺點(diǎn)是體積龐大、速度緩慢且價(jià)格極為昂貴。其應用領(lǐng)域一般局限于標準實(shí)驗室。一項有益的開(kāi)發(fā)將是一款易于構造且無(wú)需頻繁校準的實(shí)用型20位(1ppm) DAC。

　　20位DAC架構

　　圖1描繪了一款20位(1ppm)DAC的架構。該電路基于一款刻度和零點(diǎn)漂移低于0.02ppm/℃的真正1ppm模數轉換器的面市。這款型號為L(cháng)TC?400的器件在數字校正環(huán)路被用作一個(gè)反饋組件，以實(shí)現20位DAC。

　　圖1: 基于環(huán)路的20位DAC概念圖。數字比較允許模數轉換對DAC誤差進(jìn)行校正。LTC2400 模數轉換器的低不確定性特征有望實(shí)現1ppm的輸出準確度

　　實(shí)際上，“從屬”20位DAC的輸出由“主控”LTC2400 模數轉換器來(lái)監視，后者將數字信息饋送至一個(gè)代碼比較器。該代碼比較器負責區分用戶(hù)輸入字和LTC2400的輸出，并向從屬DAC提供一個(gè)校正代碼。環(huán)路以這種方式把從屬DAC的漂移和非線(xiàn)性連續校正至一個(gè)由模數轉換器和VREF所決定的準確度。對DAC的唯一要求是其應具備單調性。環(huán)路中的其它組件均無(wú)需穩定。

　　該環(huán)路具有諸多合乎要求的屬性。如前文所述，準確度限值是由模數轉換器及其基準來(lái)設定的。其它組件均無(wú)需穩定。此外，環(huán)路特性還對低階位變址和抖動(dòng)進(jìn)行了平均處理，從而消除了環(huán)路所固有的小信號不穩定性。最后，可采用傳統的遠端采樣或通過(guò)把模數轉換器置于負載側來(lái)實(shí)現數字化采樣。該模數轉換器采用SO-8封裝，且外部組件極少，因而使得這種數字化開(kāi)爾文(Kelvin)檢測電路成為一種實(shí)用型方案。

　　電路細節

　　圖2為該1ppm DAC的詳細原理圖。從屬DAC由兩個(gè)DAC組成。代碼比較器輸出的較高16位被饋送至一個(gè)16位DAC(“MSB DAC”)，而較低的位則被一個(gè)單獨的DAC (“LSB DAC”)所轉換。雖然向兩個(gè)DAC提供了總共32位，但有8位是重疊的，因而可在所有的條件下保證環(huán)路捕獲特性。組合式DAC的合成24位分辨率提供了低于第20位的4位變址范圍，從而確保了一個(gè)1ppm精度等級的穩定LSB。A1和A2把DAC的輸出電流變換為電壓，并在A(yíng)3上相加。對A3的放大系數進(jìn)行了適當的設置，以使校正環(huán)路能夠始終捕獲并校正零標度和全標度誤差的任何組合。A3的輸出(即電路輸出)被饋送至LTC2400模數轉換器。LT?010提供緩沖處理以驅動(dòng)負載和電纜。由代碼比較器來(lái)區分該模數轉換器的數字輸出和輸入字，并產(chǎn)生一個(gè)校正代碼。該校正代碼被加至MSB和LSB DAC，從而對反饋環(huán)路進(jìn)行補償。環(huán)路的完整性由模數轉換器和電壓基準誤差來(lái)決定。采用5V供電電源的模數轉換器上的電阻器和二極管可保護其免遭意外A3輸出(上電、瞬變、掉電等)的損壞。A4是一個(gè)基準負輸出轉換器，而A5則負責向兩個(gè)DAC提供一個(gè)干凈的接地電位。

圖2 1ppm DAC的細節

　　線(xiàn)性度考慮

　　模數線(xiàn)性度決定了DAC的總體線(xiàn)性度。模數轉換器具有約 ±2ppm的非線(xiàn)性度。在容許該誤差的應用中，可將其忽略不計。如果需要1ppm的線(xiàn)性度，則可通過(guò)利用軟件方法對殘余的線(xiàn)性度誤差進(jìn)行校正來(lái)實(shí)現。

　　DC性能特征

圖3 線(xiàn)性度曲線(xiàn)顯示了在所有代碼條件下誤差均不超過(guò)1ppm

　　圖3描繪了線(xiàn)性度與輸出代碼的關(guān)系曲線(xiàn)。數據顯示：在所有的代碼條件下線(xiàn)性度誤差均不超過(guò)1ppm。由圖4可見(jiàn)，在0.1Hz至10Hz通帶中測得的輸出噪聲約為0.2LSB。設備的局限性 (它設定了一個(gè)約0.2mV 的噪聲層) 對該測量結果產(chǎn)生了輕微的負面影響。