电路笔记 CN-0257 连接/参考器件 Circuit from the Lab ™实验室电路是经过测试的电路设 计，用于解决常见的设计挑战，方便设计人员轻松快 捷地实现系统集成。有关更多信息和技术支持，请访 问：www.analog.com/zh/CN0257。 AD5790 真20位电压输出DAC AD8675 超精密、36 V、2.8 nV√Hz轨到轨输出运算 放大器 AD8676 超精密、36 V、2.8 nV√Hz、双通道轨到轨 输出运算放大器 20位、线性、低噪声、精密、单极性+10 V直流电压源 入范围为VSS + 2.5 V至0V。两路基准电压输入均在片内缓 冲，无需外部缓冲。相对精度最大值为±2 LSB，保证工作 单调性，微分非线性(DNL)最大值为−1 LSB至+2 LSB。 评估和设计支持 电路评估板 AD5790电路评估板 (EVAL-AD5790SDZ) 系统演示平台 (EVAL-SDP-CB1Z) 设计和集成文件 原理图、布局文件、物料清单 精密运算放大器AD8675具有低失调电压（最大值75 μV） 和低噪声（典型值2.8 nV/√Hz）特性，是AD5790的最佳输 出缓冲器。AD5790具有两个内部匹配的6.8 kΩ前馈和反馈 电阻，它们既可以连接到运算放大器AD8675以提供10 V偏 移电压，从而实现±10 V输出摆幅，也可以并行连接以提供 偏置电流消除功能。本例演示的单极性+10 V输出，电阻用 于偏置电流消除功能。内部电阻连接通过设置AD5790控制 寄存器中的相关位来控制（参见AD5790数据手册）。 电路功能与优势 图1所示电路是一个20位线性、低噪声、精密单极性(+10 V) 电压源，所需外部元件的数量极少。AD5790是一款20位、 无缓冲电压输出DAC，采用最高33 V的双极性电源供电。 正基准电压输入范围为5 V至VDD – 2.5V，负基准电压输 TO HIGH PRECISION +5V REFERENCE R1 1.5kΩ + C1 10µF +15V AD8675 +3.3V +15V R2 R3 1kΩ +10V A1 10µF + 1kΩ 0.1µF –15V 9 6 CLR 10µF + 0.1µF 8 IOVCC VCC 3 2 VDD VREFP 7 LDAC SPI INTERFACE AND DIGITAL COTNROL 20 14 SYNC 12 SDIN 4 RESET A2 0V TO +10V OUTPUT VOLTAGE VOUT 1 AD5790 13 SCLK AD8675 6.8kΩ 24 INV 6.8kΩ 11 SDO +15V RFB –15V DGND VSS VREFN AGND 15 17 16 19 0V TO +10V 0.1µF + 10394-001 10µF –15V 图1. 20位精密、0 V至+10 V电压源（原理示意图：未显示去耦和所有连接） Rev.0 Circuits from the Lab™ circuits from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com/zh Fax: 781.461.3113 ©2011 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0257 电路笔记 2.0 该电路的数字输入采用串行输入，并与标准SPI、QSPI、 MICROWIRE®和DSP接口标准兼容。对于高精度应用，通 过结合使用AD5790和AD8675等精密器件，这个紧凑的电 路可以提供高精度和低噪声性能。 1.5 1.0 电路描述 INL (LSB) 0 –0.5 –1.0 图1显示AD5790的单极性缓冲配置，输出缓冲器采用 AD8675，它具有低噪声和低漂移特性。该放大器(A1)还用 于放大低噪声精密基准电压源（本例使用Krohn Hite 523 型精密基准电压源）提供的+5 V基准电压。此增益电路中 的电阻R2和R3为精密金属薄片电阻，其容差和温度系数分 别为0.01%和0.6 ppm/°C。要在整个温度范围内达到最佳性 能，R2和R3应处于单个封装内，如Vishay 300144或VSR144 系列。R2和R3均选用1 kΩ，以便将系统噪声保持在较低水 平。R1和C1构成低通滤波器，截止频率大约为10 Hz。该滤 波器用于衰减基准电压源噪声。 –1.5 –2.0 10394-002 图1所示数模转换器(DAC)为AD5790，这是一款SPI接口的 20位高压转换器，提供±2 LSB INL、−1至+2 LSB DNL和8 nV/√Hz噪声频谱密度。另外，AD5790还具有极高的长期 线性误差稳定性(0.1 LSB)。 0.5 0 200000 400000 600000 800000 1000000 DAC CODE 图2. 积分非线性与DAC码的关系 1.5 1.0 线性度测量 0 –0.5 –1.0 10394-003 图3显示微分非线性与DAC代码具有函数关系，且位于−1 LSB至+2 LSB的规格范围内。 0.5 DNL (LSB) 利用Agilent 3458A万用表，在EVAL-AD5790SDZ评估板上 演示图1所示电路的精密性能。图2显示积分非线性与DAC 代码具有函数关系，且位于±2 LSB的规格范围内（0°C至 105°C）。 0 200000 400000 600000 800000 1000000 DAC CODE 图3. 微分非线性与DAC码的关系 噪声漂移测量 要实现高精度，电路输出端的峰峰值噪声必须维持在1 LSB 以下，对于20位分辨率和+10 V单极性电压范围则为9.5 μV。 实时噪声应用中不会在0.1 Hz处有高通截止频率来衰减1/f 噪声，但会在其通带中包含低至DC的频率；因此，测得的 峰峰值噪声如图4所示。本例中，电路输出端的噪声是在 100秒内测得的，测量充分涵盖低至0.01 Hz的频率。 此测量需要使用温度控制的超低噪声基准电压源，以免温 漂成为影响噪声性能的主要因素。 Rev. 0 | Page 2 of 6 CN-0257 电路笔记 零电平输出电压的噪声最低，此时噪声仅来自DAC内核。选 择零电平码时，DAC会衰减各基准电压路径的噪声贡献。 4 • EVAL-AD5790SDZ评估板和软件 FULL SCALE HALF SCALE • Krohn-Hite 523型精密基准电压源 2 NOISE (µV) 设备要求 • 系统演示平台 (EVAL-SDP-CB1Z) 3 • Agilent 3458A万用表 1 • PC（Windows 32位或64位操作系统） • National Instruments GPIB转USB-B接口电缆 0 • SMB电缆(2) –1 软件安装 ZERO SCALE 10394-004 –2 –3 电路评估与测试 0 20 40 60 80 100 TIME (Seconds) 图4. 采用精密基准电压源时，100秒内测得的DAC输出电压噪声：满量 程（绿色）、中间电平（红色）和零电平（蓝色） AD5790评估套件包括一张光盘，其中含有自安装软件。该 软件兼容Windows XP (SP2)和Vista（32位和64位）。如果安 装文件未自动运行，您可以运行光盘中的setup.exe文件。 请先安装评估软件，再将评估板和SDP板连接到PC的USB 端口，确保PC能够正确识别评估系统。 随着测量时间变长，较低频率将包含在内，而峰峰值将变 大。频率较低时，温度漂移和热电偶效应会变成误差源。 通过选择热系数较小的器件可以将上述效应降至最小。 1. 光 盘 文 件 安 装 完 毕 后 ， 按 照 “ 电 源 ” 部 分 所 述 为 AD5790评估板接通电源。将SDP板（通过连接器A或 连接器B）连接到AD5790评估板，然后利用附送的电 缆连接到PC的USB端口。 欲查看完整原理图和印刷电路板的布局，请参见CN-0257 设计支持包：www.analog.com/CN0257-DesignSupport。 2. 检测到评估系统后，确认出现的所有对话框。这样就 完成了安装。 常见变化 功能框图 AD5790支持各种不同的输出范围，从0 V至+5 V、最高 ±10 V以及该范围内的任意值。如果需要双极性配置，则 VREFN引脚必须用反相精密高基准电压供电。此外，同样 需要精密放大器技术和精密温度稳定型电阻。 测试配置的功能框图如图6所示。 AD8676是运算放大器AD8675的双通道版本，需要时可以 用于该电路。 电源 必须提供下列外部电源： • AD5790的数字电源：在连接器J1的VCC与DGND之间 提供3.3 V电源。或者将链路1放在位置A，以便从USB 端口通过SDP板为数字电路供电（默认设置）。 • AD5790的正模拟电源：在J2的VDD与AGND输入之间 提供+12 V至+16.5 V的电源。 • AD5790的负模拟电源：在J2的VSS与AGND输入之间 提供−12 V至−16.5 V的电源。 • +5 V精密基准电压源，连接到标有VREF的SMB连接器。 Rev. 0 | Page 3 of 6 CN-0257 10394-005 电路笔记 图5. 评估软件主窗口 KROHN HITE 523 PRECISION REFERENCE GPIB DUAL POWER SUPPLY +15V COM AGILENT 3458A MULTIMETER USB PC USB −15V +VDD AGND −VSS J2-3 J2-2 J2-1 USB SMB SMB VREF VOUT_BUF SDP CON A OR CON B 10394-006 J4 120-PIN SDP EVAL-AD5790SDZ 图6. 测试设置功能框图 Rev. 0 | Page 4 of 6 CN-0257 电路笔记 默认链路选项设置 进一步阅读 默认链路选项如表1所示。该板的默认配置为：VREFP = +10 V，VREFN = −10 V，输出范围为±10 V。 CN0257 Design Support Package: www.analog.com/CN0257-DesignSupport 表1. 默认链路选项 Egan, Maurice. "The 20-Bit DAC Is the Easiest Part of a 1-ppmAccurate Precision Voltage Source," Analog Dialogue , Vol. 44, April 2010. 链路号 LK1 LK2 LK3 LK4 LK5 LK6 LK7 LK8 LK9 LK11 选项 A B A 移除 移除 移除 移除 C 插入 插入 Kester, Walt. 2005. The Data Conversion Handbook . Analog Devices. Chapters 3, 5, and 7. MT-015 Tutorial, Basic DAC Architectures II: Binary DACs . Analog Devices. MT-016 Tutorial, Basic DAC Architectures III: Segmented DACs . Analog Devices. MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of AGND and DGND . Analog Devices. 要将该板配置为图1所示电路，必须对表1中的默认链路配 置进行如下改动： MT-035 Tutorial, Op Amp Inputs, Outputs, Single-Supply, and Rail-to-Rail Issues . Analog Devices. MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques . Analog Devices. 1. 将LK3放在位置A Voltage Reference Wizard Design Tool. 2. 移除LK4 CN-0177 Circuit Note, 18-Bit, Linear, Low Noise, Precision Bipolar ±10 V DC Voltage Source . 3. 将LK8放在位置B 4. 移除LK9 这些改动将输出缓冲放大器的增益配置为1，并将AD5790 的VREFN引脚连接到地。此外，评估板上标有VREF的SMB 连接器现在配置为可接受+5 V精密基准电压。 欲了解有关EVAL-AD5790SDZ测试设置的更多信息，请参 阅用户指南UG-342。 测试 VOUT_BUF SMB连接器连接到Agilent 3458A万用表。线 性度测量利用AD5790 GUI上的“测量DAC输出”选项卡 进行。 噪声漂移测量也是在VOUT_BUF SMB连接器上进行。输出 电压利用AD5790 GUI上的“设置电压”选项卡进行。峰峰 值噪声漂移的测量时间为100秒。 CN-0191 Circuit Note, 20-Bit, Linear, Low Noise, Precision, Bipolar ±10V DC Voltage Source . CN-0200 Circuit Note, 18-Bit, Linear, Low Noise, Precision Bipolar ±10 V DC Voltage Source . User Guide UG-342, Evaluation Board for a 20-Bit Serial Input, Voltage Output DAC with Integrated Precision Reference Buffer Amplifiers . 数据手册和评估板 AD5790 Data Sheet and Evaluation Board AD8675 Data Sheet AD8676 Data Sheet 欲详细了解参数定义以及如何利用测量数据计算INL、DNL 和噪声，请参阅AD5790数据手册的“术语”部分和以下文 献：数据转换手册 第5章“测试数据转换器”，ADI公司。 Rev. 0 | Page 5 of 6 CN-0257 电路笔记 修订历史 12/11—Revision 0: Initial Version (Continued from first page) Circuits from the Lab circuits are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab circuits in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab circuits. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, "Circuits from the Lab" are supplied "as is" and without warranties of any kind, express, implied, or statutory including, but not limited to, any implied warranty of merchantability, noninfringement or fitness for a particular purpose and no responsibility is assumed by Analog Devices for their use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from their use. Analog Devices reserves the right to change any Circuits from the Lab circuits at any time without notice but is under no obligation to do so. ©2011 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. CN10394sc-0-12/11(0) www.analog.com Rev. 0 | Page 6 of 6