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参考设计丨满足高精度应用的可编程20位、线性、精密、双极性±5 V直流电压源!

精密直流电压是科学仪器和测量设备、自动化测试设备、工厂自动化和控制、化学分析及其他许多高精度应用的关键组成部分。最苛刻的应用需要一位数ppm(百万分之一)的温度漂移、1ppm以下的线性度和可预测的低噪声性能。

图1所示电路是一种可编程20位电压源,能够满足这些苛刻应用的需求。输出范围为-5 V至+5 V,积分非线性(INL)为±1 LSB,差分非线性(DNL)为±1 LSB,在整个输出范围内的噪声和漂移均非常低。

板载电源转换器从开发平台板提供的单电压电源产生所需的电源轨。低噪声、高电源抑制比(PSRR)稳压器确保开关噪声最小化。高精度、高稳定性、板载气密基准电压源可确保20位系统的高精度和准确性。

电路的输出有缓冲电路,提供可选的远程检测连接以补偿引线电阻,或支持在必要时插入外部功率级,以为期望的最终应用提供驱动灵活性。

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  • 数模转换

    图1所示电路的核心是 AD5791,这是一款具有串行外设接口(SPI)的20位数模转换器(DAC),提供±1 LSB INL、±1 LSB DNL性能和7.5 nV/√Hz噪声谱密度。另外,AD5791还具有极低的温漂(0.05 ppm/°C)特性。AD5791采用的精密架构要求强制检测缓冲其基准电压输入,从而确保达到规定的线性度。

    选择用于缓冲基准输入的放大器须具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性。针对此功能推荐用 AD8676 放大器,这是一种超精密、36 V、2.8 nV/√Hz双通道运算放大器,具有0.6 µV/°C的低失调漂移和2 nA的输入偏置电流。此外,AD5791使用该双通道运算放大器来缓冲其基准电压输入来进行标定和工厂校准,从而进一步增强这种器件组合的可靠性。

    电路可以通过软件配置为两种模式之一:双极性或单极性。图1所示为双极性配置,输出电压介于−5 V到+5 V之间,使用由AD8676缓冲的单个5 V基准电压源。双极性模式下的输出电压可利用下式确定:

    其中:
    VOUT 为输出电压。
    VREF 为基准电压(CN-0531上为5 V)。
    Code为写入DAC的20位代码。

    配置为单极性模式时,R1与RFB在内部并联连接,输出范围为0 V至5 V(参见图1)。单极性模式下的输出电压可利用下式确定:

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  • 数模转换

    图1所示电路的核心是 AD5791,这是一款具有串行外设接口(SPI)的20位数模转换器(DAC),提供±1 LSB INL、±1 LSB DNL性能和7.5 nV/√Hz噪声谱密度。另外,AD5791还具有极低的温漂(0.05 ppm/°C)特性。AD5791采用的精密架构要求强制检测缓冲其基准电压输入,从而确保达到规定的线性度。

    选择用于缓冲基准输入的放大器须具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性。针对此功能推荐用 AD8676 放大器,这是一种超精密、36 V、2.8 nV/√Hz双通道运算放大器,具有0.6 µV/°C的低失调漂移和2 nA的输入偏置电流。此外,AD5791使用该双通道运算放大器来缓冲其基准电压输入来进行标定和工厂校准,从而进一步增强这种器件组合的可靠性。

    电路可以通过软件配置为两种模式之一:双极性或单极性。图1所示为双极性配置,输出电压介于−5 V到+5 V之间,使用由AD8676缓冲的单个5 V基准电压源。双极性模式下的输出电压可利用下式确定:

    其中:
    VOUT 为输出电压。
    VREF 为基准电压(CN-0531上为5 V)。
    Code为写入DAC的20位代码。

    配置为单极性模式时,R1与RFB在内部并联连接,输出范围为0 V至5 V(参见图1)。单极性模式下的输出电压可利用下式确定:

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