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工程师博客分享——采用ADI/LTC产品组合的超高精度可编程电压源

EmmaChen 在 2017-8-10 建立的討論區
最後回覆由Amenda-NanYa於2017-8-18提供

作者: clon

 

今天,我们将展示是组合参考电路系列——采用ADI/LTC产品组合的超高精度可编程电压源——利用AD5971、LTZ1000、ADA4077和AD8675/6一起可用来实现1PPM分辨率、1PPM INL、长期漂移优于1PPM FSR的可编程电压源。

 

这一强大的组合有助于满足放射科医生的需要,为其提供出色的图像清晰度、分辨率和对比度,使他们能看清更小的解剖结构。

 

不妨想想将其应用于MRI(磁共振成像)时意味着什么?增强的器官和软组织成像将能帮助医疗专业人员更准确地检测心脏问题、肿瘤、囊肿和身体各部位中的异常,而这只是该可编程电压源的众多应用中的一种。

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我们先来看看,需要1ppm精度的应用都包括哪些?

  • 科学、医疗和航空航天仪器
    • 医疗成像系统
    • 激光定位器
    • 振动系统
  • 测试与测量
    • 自动测试设备
    • 质谱测定
    • 信号源测量单元(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
    • 高级机器人

 

针对测试和测量系统,1ppm分辨率和精度可改善测试设备的整体精度和粒度,实现对外部信号源和纳米执行器更精密的控制和激励。在工业自动化中,1ppm分辨率和精度提供在纳米尺度上移动、改变或定位执行器所需的精度。

 

AD5791

AD5791是一款20位无缓冲电压输出数模转换器,具有1 ppm相对精度(1 LSB INL)和1 LSB DNL(保证单调性)。它提供令人惊叹的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包含一个精密R-2R结构,后者采用了最先进的薄膜电阻匹配技术。它采用最高达33V的双极性电源供电,可利用5V到VDD-2.5V的正基准电压和VSS + 2.5 V至0 V的负基准电压来驱动。AD5791使用多功能3线串行接口,其以最高达35 MHz的时钟速率工作,兼容标准SPI、QSPI™、MICROWIRE™和DSP接口标准。AD5791采用20引脚TSSOP封装。

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LTZ1000

LTZ1000是一款超级稳定的温度可控基准电压源。它提供7V输出,具有令人惊叹的1.2µVP-P噪声、2µV/√kHr长期稳定性和0.05ppm/°C温漂。该器件内置一个嵌入式齐纳基准源、一个用于稳定温度的加热电阻和一个温度检测晶体管。利用外部元件来设置工作电流并使基准源温度保持稳定,从而实现最大的灵活性和最佳的长期稳定性及噪声。

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ADA4077

ADA4077是一款高精度低噪声运算放大器,具有超低的失调电压和极低的输入偏置电流。与JFET放大器不同,其低偏置和失调电流对环境温度相对不敏感,即使环境温度达到125℃,该特性仍然保持稳定。使用1000 pF以上容性负载时输出稳定,无需外部补偿。

 

AD8675/AD8676

AD8675/AD8676是精密轨到轨运算放大器,具有超低失调、漂移和电压噪声,而且输入偏置电流在整个工作温度范围内均非常低。

 

 

这套电路考虑的一些因素:

噪声

低频噪声必须保持最低,以免影响电路的直流性能。在0.1-Hz至10-Hz带宽内,AD5791产生大约0.6μVp-p噪声,各ADA4077产生0.25μVp-p噪声,AD8675产生0.1μVp-p噪声,LTZ1000产生1.2µVp-p噪声。电阻值的选择确保了其约翰逊噪声不会大幅提高总噪声水平。

 

AD5791基准电压缓冲器配置

基准电压缓冲器用于驱动AD5791的REFP和REFN引脚,必须配置为单位增益。如有任何额外电流通过增益设置电阻流入基准电压检测引脚,DAC精度都会降低。

 

AD5791 INL灵敏度

AD5791 INL性能对用作基准电压缓冲器的放大器输入偏置电流有点敏感,所以选择了低输入偏置电流的放大器。

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温度漂移

为使整个系统保持低温漂系数,选择的各器件必须具有低温漂。AD5791的温度系数为0.05ppm FSR/°C,LTZ1000的温度系数为0.05ppm/°C,ADA4077和AD8675的温度系数分别为0.005ppm FSR/°C和0.01ppm FSR/°C。

 

长期漂移

长期漂移是另一个重要参数,它可能会使系统精度显著受限。在125°C时,AD5791的长期稳定性典型值优于0.1ppm/1000小时。LTZ1000可以实现大约每月1µV的长期稳定性。

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最后我们再看看就这套电路的实验结果吧~

INL误差是在室温下于实验室中测量,AD5791输入码从零电平变化到满量程,码步长为5。利用8.5位DVM记录各码时输出缓冲器(AD8675)的输出电压。结果位于±1LSB规格以内。

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噪声

在中间电平时测得的噪声为1.1µV p-p,在满量程时测得的噪声为3.7uV p-p。选择中间电平码时,各基准电压源路径的噪声贡献被DAC衰减,所以中间电平码的噪声系数较低。

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长期漂移

系统长期漂移是在25°C下进行测量。AD5791设置为+5V(3/4量程),输出电压在1000小时内每30分钟测量一次。观测到的漂移值小于1ppm FSR。

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结束语

除了易于使用之外,AD5791还提供1ppm的保证精度。然而,选择合适的器件和基准电压源对发挥AD5791的精度性能至关重要。LTZ1000、ADA4077、AD8676和AD8675的低噪声、低温漂、低长期漂移和高精度特性,提高了系统在宽温度范围内和长时间范围内的精度、稳定性和可重复性。

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結果