如何利用1ppm DAC簡化精密儀器儀表設計

為了提高儀器儀表系統(tǒng)的精度，數(shù)模轉換器的性能已經(jīng)突破16位，而以前必須采用笨重、昂貴、慢速的Kelvin-Varley分壓器才能達到這一性能水平。
圖1中，U1是一個具有1ppm線性度指標的20位DAC。U2是一個精密雙通道放大器，用作DAC基準電壓輸入的驅動-檢測緩沖器。U3是一個精密輸出緩沖器，用于驅動負載，其關鍵要求與基準電壓緩沖器相似，其中包括低噪聲、低失調電壓、低漂移和低輸入偏置電流。
雖然有1ppm以下的精密元件可供使用，但構建1ppm系統(tǒng)并非易事，不可等閑視之。1ppm精度電路中的主要誤差源為噪聲、溫度漂移和熱電電壓。
噪聲
為實現(xiàn)真正的1ppm系統(tǒng)，必須將噪聲降至最低水平。U1的噪聲頻譜密度為7.5 nV/vHz。U2和U3的額定噪聲密度為2.8 nV/vHz，遠遠低于DAC的噪聲貢獻。
寬帶噪聲可以通過濾波消除，但0.1Hz至10Hz范圍內的低頻噪聲(1/f)卻無法濾除。要盡量降低這一噪聲，最有效的方法在于器件優(yōu)化和選擇。U1在0.1Hz至10Hz帶寬下產(chǎn)生0.6μV p-p噪聲，遠低于1LSB（對于±10V輸出，1LSB = 19μV）。系統(tǒng)中1/f噪聲的設計目標值應為0.1LSB或2μV左右。信號鏈中的三個放大器在電路輸出端總共產(chǎn)生大約0.2μV p-p的噪聲。加上U1的0.6μV p-p噪聲，預計總1/f噪聲為0.8μV p-p。
*溫度漂移
溫度漂移是精密電路中的另一個主要誤差源。U1的溫度系數(shù)為0.05ppm/°C。U2的漂移系數(shù)為0.6μV/°C，即總體會向電路中引入0.03ppm/°C的漂移。同時U3再貢獻0.03ppm/°C的輸出漂移，這樣三者相加后為0.11 ppm/°C。對于調節(jié)和增益電路，建議使用低漂移、熱匹配電阻網(wǎng)絡，如Vishay的300144Z和300145Z。