如何设计一款对精密16位数模转换应用？

对精密16位数模转换应用，如何提供一款低功耗、小尺寸的解决方案？该方案的电路功能与优势是什么？如何进行电源电流测量？

张龙

2021-4-7 15:21:50

正在为寻找一款具备真正意义上的16位电平设置性能的小封装、超低功耗的解决方案而烦恼吗？本文讨论的电路针对精密16位数模转换应用，使用电压输出DAC AD5542A/AD5541A、基准电压源ADR421BRZ以及用作基准电压缓冲器的20μA AD8657，提供一款低功耗、小尺寸的解决方案。

电路功能与优势

基准电压缓冲对于设计至关重要，因为DAC基准输入的输入阻抗与码高度相关，如果DAC基准电压源未经充分缓冲，将导致线性误差。开环增益高达120dB的AD8657已经过验证和测试，符合本电路应用关于建立时间、失调电压和低阻抗驱动能力的要求。

图1所示的器件组合实现了最小的PCB面积和最低的功耗。AD5542A采用3mm×3 mm、16引脚LFCSP或16引脚TSSOP封装。AD5541A采用3mm×3 mm、10引脚LFCSP或10引脚MSOP封装。

图1 精密DAC配置（简化的原理示意图：未显示去耦和所有连接）

这一器件组合可以提供业界领先的16位分辨率、±1 LSB积分非线性(INL)和±1 LSB微分非线性(DNL)，可以确保单调性，并且具有低功耗、小PCB和高性价比等特性。

电路描述

对于无误差的理想DAC，输出电压与基准电压相关，如下式所示：

其中D为载入DAC寄存器的十进制数据字，N为DAC的分辨率。

对于2.5 V基准电压且N = 16，上述公式可简化为下式：

这样，在中间电平时VOUT 为1.25 V，在满量程时VOUT为2.5 V；LSB大小为2.5 V/65,536 = 38.1μV；16位时，1 LSB也相当于满量程的0.0015%，或者15ppm FS；基准电压源ADR421（B级）的室温初始精度为0.04%，相当于16位时的约27 LSB。此初始误差可以通过系统校准消除。ADR421（B级）的温度系数典型值为1ppm/°C，最大值为3ppm/°C。

假设使用理想基准电压源（基准电压误差已通过系统校准消除），则AD5542A的最差情况单极性输出电压（包括误差）可通过下式计算：

其中：

VOUT UNI为单极性模式最差情况输出；D为载入DAC的码；VREF为施加于DAC的基准电压（假设无误差）；VGE为增益误差，单位伏特(V)。（注意，基准电压缓冲的失调误差必须包括在增益误差中，因此为基准电压缓冲选用的运算放大器必须具有低输入失调电压特性）。VZSE为零电平误差（失调误差），单位伏特(V)。（注意，可选输出缓冲放大器的失调电压会增加此误差）。INL为DAC的积分非线性，单位伏特(V)。（注意，可选输出缓冲放大器的非线性会增加此误差）。

本电路采用电压输出DAC AD5542A，提供真16位INL和DNL。AD5541A/AD5542A的DAC架构为分段R-2R电压模式DAC。采用这种配置，输出阻抗与码无关，而基准电压源的输入阻抗则与码高度相关。因此，基准电压缓冲的选择对于码相关基准电流的处理非常重要，如果DAC基准电压缓冲不充分，可能会导致线性误差。选择配合精密电压输出DAC使用的基准电压缓冲时，运算放大器的开环增益、失调电压、失调误差温度系数和电压噪声也是重要的选择指标。基准电压电路中的失调误差会引起DAC输出端产生增益误差。

本电路采用驱动/检测配置（开尔文检测）的低功耗CMOS运算放大器AD8657作为AD5542A的低阻抗输出基准电压缓冲。AD8657具有120 dB的开环增益，是一款精密、18V、50 nV/√Hz运算放大器。其最大失调电压为350 µV，典型温漂小于2μV/°C，噪声为5μV p-p（0.1Hz至10Hz），因而AD8657特别适合那些需要最小误差源的应用。AD8657的另一半用作输出放大器。

AD5542A有两种工作模式：缓冲模式和非缓冲模式。使用何种工作模式由具体应用及其建立时间、负载阻抗、噪声等要求而定。可以选择输出缓冲器来优化直流精度或快速建立时间。DAC的输出阻抗恒定（典型值6.25 kΩ），且与码无关，但为了将增益误差降至最小，输出放大器的输入阻抗应尽可能高。输出放大器还应具有1 MHz或更高的3 dB带宽。输出放大器给系统增加了另一个时间常数，因此会延长输出的建立时间。运算放大器的带宽越宽，则DAC与放大器组合的有效建立时间越短。

图1所示的器件组合实现了最小的PCB面积。AD5542A采用3 mm×3 mm、16引脚LFCSP或16引脚TSSOP封装。AD5541A采用3 mm×3 mm、10引脚LFCSP或10引脚MSOP封装。

请注意，AD5541A不包含基准电压和地上的开尔文检测线路、清零功能以及RFB 和 RINV 电阻；AD8657和ADR421均采用8引脚MSOP封装。

测量结果表明，AD5542A/AD5541A是高精度、低噪声电平设置应用的理想选择。在这一高精度、高性能、低功耗系统中，通过基准电压源ADR421和基准电压缓冲AD8657保持直流性能水平。测量直接在VOUT上进行，没有连接可选的输出缓冲器。

胡丹丹

2021-4-7 15:21:56

电源电流测量

总电源电流和个别器件的电源电流利用精密电流表进行测量。

经过测量，该电路的总电源电流为0.97 mA，而数据手册中的最大值小于1.5 mA。

表1列出了测量结果和数据手册值。整个系统功耗很低（小于5 mW），但精度非常高。

积分非线性和微分非线性测量

积分非线性(INL)误差指实际DAC传递函数与理想传递函数的偏差，用LSB表示。差分非线性(DNL)误差指实际步进大小与1 LSB的理想值之间的差异。该电路提供16位分辨率，DNL和INL均为±1 LSB。

布局布线考虑

在任何注重精度的电路中，必须仔细考虑电路板上的电源和接地回路布局。包含本电路的印刷电路板(PCB)应将模拟部分与数字部分分离。如果该电路所在系统中有其它器件要求AGND至DGND连接，则只能在一个点上进行连接。该接地点应尽可能靠近AD5542A/AD5541A。本电路应该采用具有较大面积接地层和电源层的多层PCB。

AD5542A/AD5541A的电源应使用10μF和0.1μF电容进行旁路。这些电容应尽可能靠近该器件，0.1μF电容最好正对着该器件。10μF电容应为钽珠型或陶瓷型电容。0.1μF电容必须具有低等效串联电阻(ESR)和低等效串联电感(ESL)，普通陶瓷型电容通常具有这些特性。针对内部逻辑开关引起的瞬态电流所导致的高频，该0.1μF电容可提供低阻抗接地路径。

电源走线应尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。时钟和其它快速开关的数字信号应通过数字地将其与电路板上的其它器件屏蔽开。

图2 电源电流测量

常见变化

针对要求更高精度的应用，应当考虑使用运算放大器 AD8675。在10 V时，它要求约2.3 mA的电源电流。零漂移运算放大器AD8628是另一款适合用作本电路中基准电压缓冲器的优秀放大器，它提供低失调电压和超低偏置电流，开环增益为125dB，要求约1mA的电源电流。ADR421(2.5 V)可以用ADR423 (3.00 V)或ADR424(4.096 V)代替，二者均为低噪声基准电压源，与ADR421同属一个基准电压源系列。超低噪声基准电压源ADR441和ADR431也是合适的替代器件，提供2.5 V输出。AD8661是可选输出缓冲器的另一个不错的选择。它是一款CMOS运算放大器，采用了ADI公司的DigiTrim®专利技术，可实现低失调电压，并具有低输入偏置电流和宽信号带宽等特性，要求约1 mA的电源电流。AD8605 或 AD8655（均采用+2.7 V至+5.5 V单电源供电）也是可以考虑的选择，不过由于所有轨到轨运算放大器都有的输出级限制，在近0 V输出时具有非线性。AD5542A的内置电阻RFB 和RINV，可以配合外部运算放大器提供双极性电压输出。

应用

• 控制/处理

• 电子测试和测量

• 仪表仪器和测量

• 测量和检测

• 过程控制与工业自动化(eechina)

刘刚

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张龙

胡丹丹

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