电路笔记 CN-0370 Circuits from the Lab® reference designs are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve today’s analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit www.analog.com/CN0370. 连接/参考器件 串行输入、电压输出、无缓冲型 AD5542A 16位DAC 轨到轨输入/输出、零输入交越 ADA4500-2 失真放大器 超低噪声、高精度2.5 V基准 ADR4525 电压源 16位单电源LED电流驱动器，积分和差分非线性误差小于±1 LSB 评估和设计支持 分非线性误差为±1 LSB，0.1 Hz至10 Hz噪声小于45 nA p-p， 电路评估板 满量程输出电流为20 mA。 CN-0370电路评估板(EVAL-CN0370-PMDZ) 大多数轨到轨输入运算放大器都有交越非线性误差，其在 系统演示平台(EVAL-SDP-CB1Z) 16位系统中可能高达4到5个LSB，而这个创新的输出驱动 PMOD至SDP转接板(SDP-PMD-IB1Z) 放大器消除了这一误差。 设计和集成文件 该业界领先的解决方案非常适合于脉搏血氧仪应用，其中 原理图、布局文件、物料清单 叠加于LED亮度水平上的1/f噪声会影响整体测量的精度。 电路功能与优势 图1所示电路是一个完整的单电源、低噪声LED电流源驱动 采用5 V单电源供电时，三个有源器件的总功耗典型值小于 器，由一个16位数模转换器(DAC)控制。该系统的积分和差 20 mW。 VPMOD VPMOD 10µF 0.1µF VPMOD 10µF ADR4525 VIN VOUT VEXT + 3.3V TO 5.5V VPMOD 2.5V 0.1µF GND 1/2 VLED ADA4500-2 SERIAL INTERFACE REFS REFF VDD CS SCLK AD5542A DIN LDAC DGND AGND AGND IOUT 1/2 ADA4500-2 VOUT D G S VOUT AGND 13447-001 RLIMIT 124Ω 图1. ±1 LSB线性16位LED电流源驱动器(原理示意图，未显示去耦和所有连接) Rev. 0 Circuits from the Lab reference designs 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 whatsoeverconnectedtotheuseofanyCircuitsfromtheLabcircuits. (Continuedonlastpage) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2015 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0370 电路描述 典型的轨到轨输入放大器采用两个差分对(PNP和NPN或 在典型的脉搏血氧仪应用中，LED接收到脉冲信号后，从 PMOS和NMOS)来实现轨到轨输入摆幅(参见指南MT-035)。 高电流电平(如3/4量程)变为低电流电平(如1/4量程)。这些 一个差分对在输入共模电压范围的下部活跃，另一个差分 脉冲的导通时间通常只有数百微秒。导通期间叠加于LED 对在该范围的上部活跃。这种经典互补双差分对拓扑结构 亮度水平上的峰峰值1/f噪声会影响整体测量的精度，必须 在一个差分对转换到另一个差分对时会产生交越失真。将 予以最小化。 该放大器用作DAC缓冲器时，失调电压的变化会引起非线 图1显示该单电源信号链由基准电压源、DAC、DAC输出 性误差。 缓冲器和电流源组成。 ADA4500-2利用其输入结构中的集成电荷泵来实现轨到轨 DAC为AD5542A，它是一款16位、串行输入、电压输出、分 输入摆幅，无需第二差分对。因此，它不存在交越失真。 段式R-2R CMOS DAC。DAC的输出电压与基准电压相关， 如下式所示： 在这种单电源系统中使用零交越失真放大器，不仅可在整 个输入共模范围内保持高线性度，而且可提供宽动态输出 范围。ADA4500-2的详细工作原理请参见ADA4500-2数据 手册。 其中： DAC的输出阻抗是恒定的(典型值6.25 kΩ)，与输出码无关。 D为载入DAC寄存器的十进制数据字。 因此，输出缓冲器必须具有高输入阻抗和低输入偏置电 N为位数。 流，以使误差最小。ADA4500-2是一款合适的器件，具有 高输入阻抗，室温下的输入偏置电流最大值为2 pA，全温 对于2.5 V基准电压且N = 16，上述公式可简化为下式： 度范围内的输入偏置电流最大值为190 pA。最差情况下，输 入偏置电流流过6.25 kΩ DAC阻抗所引起的误差为1.2 μV， 远小于1 LSB。 这样，在中间电平时VOUT为1.25 V，在满量程时VOUT为2.5 V。 DAC 输 出 经 过 缓 冲 后 ， 用 于 驱 动 功 率 MO SF ET LSB大小为2.5 V/65,536 = 38.1 μV。 (IRLMS2002TRPBF)。MOSFET将DAC输出电压转换为电流 16位时，1 LSB也相当于满量程的0.0015%或15 ppm。 来驱动LED。本电路中的MOSFET能够处理最高6.5 A的电 DAC基准引脚由2.5 V基准电压源ADR4525驱动，后者利用 ADA4500-2进行缓冲。基准电压源ADR4525为DAC提供高 精度、低噪声(1.25 µV p-p，0.1 Hz至10 Hz)且稳定的基准电 流，但EVAL-CN0370-SDPZ板提供的LED的额定最大电流 限值为20 mA。该板提供了轻松改变LED满量程电流的措 施，那就是更改RLIMIT电阻。最大电流可通过下式计算： IMAX = 2.5 V/RLIMIT 压。ADR4525使用创新的内核拓扑结构来实现高精度，同 时提供业界领先的温度稳定性和噪声性能。低输出电压温 利用跳线选项可将LED连接到PMOD电压(VPMOD)或外部 度系数(最大值2 ppm/°C)和低长期输出电压漂移也提高了系 电压(VEXT)。 统在寿命和温度范围内的精度。ADR4525B的室温初始误 在VPMOD = 3.3 V下工作时，需要利用VEXT选项来为MOSFET 差为±0.02%(最大值)，相当于16位时的约13 LSB。 提供充足的裕量。例如，若VOUT = 2.5 V、VDS = 0.7 V且VLED = 选择双通道ADA4500-2作为DAC输出缓冲器和基准电压缓 0.7 V，则VEXT必须大于2.5 V + 0.7 V + 0.7 V = 3.9 V。 冲器。ADA4500-2是一款高精度放大器，最大失调电压为 还有一种方案可支持3.3 V电源供电，那就是将满量程输出 120 μV，失调漂移小于5.5 μV/°C，0.1 Hz至10 Hz噪声为 2 μV p-p，最大输入偏置电流为2 pA。其创新的轨到轨输入 结构消除了交越失真，因而成为DAC缓冲器的出色选择。 电压限制在约1.9 V，仅使用76%的DAC输出范围。在1.9 V输 出时，为了维持20 mA满量程输出电流，RLIMIT电阻必须变为 约95 Ω。 AD5542A提供10引脚MSOP或10引脚LFCSP封装。ADR4525 提供8引脚SOIC封装，ADA4500-2提供8引脚MSOP或8引脚 LFCSP封装。 Rev. 0 | Page 2 of 6 CN-0370 10 积分非线性(INL)和差分非线性(DNL)测量 积分非线性(INL)指实际DAC传递函数与理想传递函数的偏 5 差，用LSB表示。差分非线性(DNL)指实际步进大小与1 LSB DNL和INL均为±1 LSB。图2和图3显示了该电路的DNL和INL 性能。 DNL ERROR (LSB) 0.6 –5 –10 0.4 –15 0.2 –20 0 0 10000 20000 30000 40000 CODE 50000 60000 70000 图4. 采用具有传统轨到轨输入级的运算放大器 缓冲器时的DAC非线性误差 –0.2 噪声测量 完整系统的目标0.1 Hz至10 Hz噪声小于14 μV p-p(在VOUT测 13447-002 –0.4 量)。三个器件的噪声可采用和方根(RSS)方式加总以估算 系统总噪声。0.1 Hz至10 Hz噪声值分别为： 65000 60000 55000 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 5000 10000 0 –0.6 • AD5542A：0.134 μV p-p CODE • ADR4525：1.25 μV p-p 图2. 差分非线性(DNL) INL ERROR (LSB) 0 13447-004 INL ERROR (LSB) 的理想值之间的差异。该系统解决方案提供16位分辨率， 0.6 • ADA4500-2(基准电压缓冲器)：2 μV p-p 0.4 • ADA4500-2(DAC缓冲器)： 2 μV p-p 0.2 以上噪声源的RSS值为3.1 μV p-p。 0 本电路的实际噪声是利用一个增益为10,000的噪声测量盒 –0.2 并结合一个0.1 Hz至10 Hz滤波器来测量。图5所示为噪声测 试设置。 –0.4 设 置 中 移 除 了 EVAL-SDP-CB1Z系 统 开 发 平 台 (SDP)和 –0.6 SDP-PMD-IB1Z转接板，电源从4.5 V电池获得。 13447-003 –0.8 ±15V POWER SUPPLY 65000 60000 55000 50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 5000 10000 0 –1.0 0.1Hz TO 10Hz NOISE MEASURING BOX OSCILLOSCOPE CODE 注意，DNL和INL测量排除了从范围下限开始的100个代码 (约4 mV)。这是因为，MOSFET漏电流导致输出电压在此区 4.5V BATTERY EVAL-CN0370-PMDZ 图5. 利用10,000增益测量0.1 Hz至10 Hz噪声的测试设置 间是非线性的。 图4显示了采用具有传统轨到轨输入级的运算放大器所引 起的非线性误差。该曲线显示了有源差分对从PNP对变 为NPN对时的交越失真。此区间内的误差摆幅为+4 LSB至 −15 LSB。 VOUT 13447-005 AGND 图3. 积分非线性(INL) 在输入短路和连接本电路两种情况下，该盒的噪声输出测 量值分别为7.81 μV p-p和9.6 μV p-p，如图6和图7所示。两个 系统的噪声无关，因而可用RSS方式加总，系统噪声计算 如下： 系统噪声 对于20 mA的满量程电流，对应的驱动LED的噪声电流为 5.58 μV ÷ 124 Ω = 45 nA。 Rev. 0 | Page 3 of 6 CN-0370 电路板布局考量 应当精心考虑电路板上的电源和接地回路布局。印刷电路板 必须将模拟部分与数字部分分离。如果该电路所在系统有多 个器件要求模拟地至数字地连接，则只能在一个点上进行连 接。所有器件的电源必须通过至少0.1 μF的电容旁路。这些 旁路电容必须尽可能靠近器件，电容最好正对着器件。所 选0.1 μF电容应当具有低有效串联电阻(ESR)和低有效串联电 13447-006 感(ESL)，例如陶瓷型电容。0.1 μF电容为瞬变电流提供低阻 2 CH1 20.0mV/DIV 1.00s/DIV 抗接地路径。电源走线必须尽可能宽，以提供低阻抗供电 路径。采用适当的布局、接地和去耦技术以实现最佳性能 (参见指南MT-031——实现数据转换器的接地并解开AGND 图6. 输入与噪声测量盒短路情况下测得的输出噪声为 78.1 mV p-p(折合到输入端为7.81 μV p-p) 和DGND的谜团以及指南MT-101——去耦技术)。 如需包括布局文件、原理图和物料清单在内的完整设计支 持包，请访问：www.analog.com/CN0370-DesignSupport。 常见变化 如要求功耗更低的解决方案(速度较低)，请使用ADA4505-1/ ADA4505-2/ADA4505-4作 为 输 出 缓 冲 器 。 ADA4505-1/ ADA4505-2/ADA4505-4是微功耗、零交越失真、低输入偏 置电流放大器。ADR441和ADR421是提供2.5 V基准电压的 13447-007 合适器件。它们具有高精度和低噪声特性，支持最高18 V的 2 CH1 20.0mV/DIV 1.00s/DIV 图7. 连接EVAL-CN0370-PMDZ的情况下测得的输出噪声为 96 mV p-p(折合到输入端为9.6 μV p-p) 输入电压。 AD5063是一款16位、无缓冲电压输出DAC，支持双电源应 用中的双极性供电模式。 Rev. 0 | Page 4 of 6 CN-0370 电路评估与测试 设置 本电路采用EVAL-CN0370-PMDZ电路板、EVAL-SDP-CB1Z SDP- P M D - I B 1 Z 转 接 板 上 的 1 2 0 引 脚 连 接 器 连 接 到 SDP板和SDP-PMD-IB1Z转接板。SDP板和转接板具有120 EVAL-SDP-CB1Z SDP板上标有CON A的连接器。使用尼龙 引脚对接连接器，可以快速完成设置并评估电路性能。 五金配件，通过120引脚连接器两端的孔牢牢固定这两片 EVAL-CN0370-PMDZ板 通 过 PMOD连 接 器 J3连 接 。 板。EVAL-CN0370-PMDZ连接到J3 PMOD连接器。 EVAL-CN0370-PMDZ包含待评估电路，如本电路笔记所 在断电情况下，将6 V壁式电源连接到J1连接器。SDP板附 述。SDP板和转接板与CN-0370评估软件一同使用，收集 带的USB电缆连接到PC上的USB端口。此时请勿将该USB EVAL-CN0370-PMDZ电路板的数据。关于软件使用指南， 电缆连接到SDP板上的微型USB连接器。 请访问www.analog.com/wiki-CN0370。 测试 设备要求 给转接板通电，然后通过USB电缆将PC连接到SDP板上的 需要以下设备： 微型USB连接器，并启动评估软件。如果Windows设备管 • 带USB端口的Windows® XP、Windows Vista(32位)或 理器中出现“EVAL-SDP-CB1Z系统开发平台”，软件便能 Windows 7(32位)PC 与EVAL-CN0370-PMDZ通信。 • EVAL-CN0370-PMDZ电路评估板 一 旦 USB通 信 建 立 ， 就 可 以 使 用 SDP板 将 数 据 写 入 • EVAL-SDP-CB1Z SDP板 EVAL-CN0370-PMDZ电路评估板。 • SDP-PMD-IB1Z转接板 • CN-0370评估软件(从ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0370/ 图9是EVAL-CN0370-PMDZ电路评估板的实物照片。 有关测试设置以及如何使用评估软件来捕捉数据的详细信 下载) • 电源：6 V壁式电源适配器或EVAL-CFTL-6V-PWRZ 息，请参阅CN-0370软件用户指南。 • Agilent 34401A万用表(或等效设备) 有关SDP板的信息，请参阅SDP用户指南(UG-277)。 • GPIB转USB电缆(仅当在电路上进行线性度测量时需要) 开始使用 13447-009 下载CN-0370评估软件并将其安装到PC上。 功能框图 图9. EVAL-CN0370-PMDZ电路评估板 图8所示为测试设置的功能框图。 6V SUPPLY J1 EVAL-CN0370-PMDZ PMOD J3 EVAL-SDP-CB1Z J4 CON A SDP-PMD-IB1Z VOUT MULTIMETER USB GPIB USB PC 13447-008 AGND 图8. 测试设置功能框图 Rev. 0 | Page 5 of 6 CN-0370 了解详情 数据手册和评估板 CN-0370设计支持包： AD5542A数据手册 ADA4500-2数据手册 www.analog.com/CN0370-DesignSupport Walt Kester，数据转换手册，第3章和第7章，ADI公司， 2005年。 ADR4525数据手册 修订历史 AN-1212应用笔记，在反向模式下利用电流输出DAC构建 2015年9月—修订版0： 初始版 单电源、低噪声LED电流源驱动器，ADI公司。 电路笔记CN-0348，16位单电源缓冲电压输出数模转换， 积分和差分非线性误差小于±1 LSB，ADI公司。 MT-015指南，DAC基本架构II：二进制DAC，ADI公司。 MT-016指南，DAC基本架构III：分段DAC，ADI公司。 MT-031指南，实现数据转换器接地并解开AGND和DGND 的谜团，ADI公司。 MT-035教程，运算放大器输入、输出、单电源和轨到轨问 题，ADI公司。 MT-101指南，去耦技术，ADI公司。 (Continued from first page) Circuits from the Lab reference designs 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 reference designs 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 reference designs. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, Circuits from the Lab reference designs 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 reference designs at any time without notice but is under no obligation to do so. ©2015 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 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