电源工程师设计札记（一）：轻松完成电源设计

　　输出缓冲的主要要求与基准缓冲相似——唯一例外是偏置电流，因为它不影响AD5791的线性度。但失调电压和输入偏置电流可能会影响到输出失调电压。为了维持直流精度，建议将AD8675 用作输出缓冲。高吞吐量应用要求使用较高压摆率的快速输出缓冲放大器。

　　表1列出了少数适用精密放大器的关键技术规格。

表1. 精密放大器的关键技术规格

　　AD5791具有设计时间更短、设计风险更小、成本更低、电路板尺寸更小、可靠性更高和保证性能规格的特点。

　　图3是一种电路示意图，其中以AD5791 （U1）作为精密数控1 ppm电压源，电压范围为±10 V，增量为20 μV；以AD8676 （U2）作为基准缓冲；以AD8675 （U3）作为输出缓冲。绝对精度取决于外置10 V基准电压源的选择。

　　图3.采用AD5791数模转换器的1 ppm精度系统。

　　性能测量

　　该电路的重要指标是积分非线性度、微分非线性度和0.1 Hz至10 Hz峰峰值噪声。图4显示，典型INL处于±0.6 LSB之内。

　　图4. 积分非线性度坐标图。

　　图5所示典型DNL为±0.5 LSB；在整个位跃迁范围内，输出均可保证单调性。

　　图5. 微分非线性度坐标图。

　　0.1 Hz至10 Hz带宽内的峰峰值噪声约为700 nV，如图6所示。

　　图6. 低频噪声。

　　AD5791仅仅是个开始：

　　1 ppm电路的复杂性

　　尽管AD5791一类的精密次 1 ppm元件已上市，但构建1 ppm系统并非易事，不能草率对待。必须全面考虑在这个精度级别出现的误差源。1 ppm 精度电路中的主要误差源为噪声、温度漂移、热电电压和物理应力。应遵循精密电路的构建技术，以尽量降低此类误差在整个电路中的耦合和传播效应，避免产生外部干扰。下面将简要总结这些考虑因素。更多详情请参阅参考文献。

　　噪声

　　工作于1 ppm分辨率和精度时，必须将噪声降至最低水平。AD5791的噪声频谱密度为9 nV/√Hz，主要源于3.4 k? DAC电阻的约翰逊噪声。为了尽量避免增加系统噪声，必须将所有外设的噪声贡献降至最低。电阻值应低于DAC电阻，以确保其约翰逊噪声贡献不会大幅提高方和根总体噪声水平。AD8676基准缓冲和AD8675输出缓冲额定噪声密度为2.8 nV/√Hz，远远低于DAC的噪声贡献。

　　通过简单的R-C滤波器，即可相对简单地消除高频噪声，但0.1 Hz至10 Hz范围内的1/f噪声却很难在不影响直流精度的情况下滤除。降低1/f噪声最有效的方法是避免其进入电路之中。AD5791在0.1 Hz至10 Hz带宽下产生约0.6 μV峰峰值噪声，远低于1 LSB（输出范围为±10 V时，1 LSB = 19 μV）。在整个电路中，1/f最大噪声的目标值应为0.1 LSB或2 μV左右，通过选择合适的元件即可达到此目标。电路中的放大器产生0.1 μV峰峰值1/f噪声；信号链中的三个放大器在电路输出端共产生约0.2 μV峰峰值噪声。加上来自AD5791的0.6 μV峰峰值噪声，预计总1/f噪声约为0.8 μV峰峰值，该值与图5所示测量值紧密相关。这为可能增加的其他电路（如放大器、电阻和基准电压源）等留出了充足的余量。

温度漂移

　　与所有精密电路一样，所有元件的温度漂移是主要误差源之一。减少漂移的关键是选择次 1 ppm温度系数的重要元件。AD5791具有极低的温度系数，为0.05 ppm/°C。AD8676基准缓冲的漂移系数为0.6 μV/°C，总共会向电路中增加0.03 ppm/°C的增益漂移；AD8675输出缓冲会再贡献0.03 ppm/°C的输出漂移；相加后为0.11 ppm/°C。缩放和增益电路中应使用低漂移、热匹配电阻网络。建议使用Vishay体金属薄膜分压器电阻系列300144Z和300145Z，其电阻跟踪温度系数为0.1 ppm/°C。

　　热电电压

　　热电电压是Seebeck效应造成的结果：相异金属结处产生与温度有关的电压。根据结处的金属元件，结果产生的电压位于0.2 μV/°C至1 mV/°C之间。最好的情况是铜铜结，产生的热电EMF不到0.2 μV/°C。在最糟糕的情况下，铜铜氧化物结可产生最大1 mV/°C的热电电压。对小幅温度波动的这种灵敏度意味着，附近的耗能元件或跨越印刷电路板（PCB）的低速气流可能产生不同的温度梯度，结果产生不同的热电电压，而这种电压又表现为与低频1/f 噪声相似的低频漂移。可通过消除系统中的相异结和/或消除热梯度来避免热电电压。虽然消除相异金属结几乎不可能——IC封装、PCB电路、布线和连接器中存在多种不同的金属——但使所有连接均保持整洁，消除氧化物，这种方法可以有效地减少热电电压。屏蔽电路使其不受气流影响，是一种有效的热电电压稳定方法，而且具有电屏蔽的增值作用。图7展示了开放式电路与封闭式电路在电压漂移上的差异。

　　图7. 开放式系统和封闭式系统的电压漂移与时间关系。

　　为了消除热电电压，可在电路中增加补偿结，但必须进行大量的试验和重复测试，以确保插入结配对正确、位置无误。截至目前，最高效的方法是减少信号路径中的元件数，稳定局部温度和环境温度，从而减少电路中的结。

　　物理应力

　　高精模拟半导体器件对其封装承受的应力非常敏感。封装中的应力消除填充物具有一定的作用，但无法补偿因PCB变形等局部应力源在封装上直接产生的压力带来的较大应力。印刷电路板越大，封装可能承受的应力越大，因此即使在小型电路板上也应安装敏感电路——通过柔性或非刚性连接器与大系统相连。如果必须使用较大电路板，则应在敏感元件周围，在元件两面或（最好）三面割些应力消除切口，可极大地减少因电路板弯曲给元件带来的应力。

　　长期稳定性

　　在考虑噪声和温度漂移的基础上，还需考虑长期稳定性。精密模拟IC虽然非常稳定，但确实会发生长期老化变化。AD5791在125°C的长期稳定性一般好于0.1 ppm/1000 小时。虽然老化不具累积性质，但遵循平方根规则（若某个器件的老化速度为1 ppm/1000 小时，为√2 ppm/2000 小时，为√3 ppm/3000 小时等等）。一般地，温度每降低25°C，时间就会延长10倍；因此，当工作温度为85°C时，在10000小时的期间（约60星期），预计老化为0.1 ppm。以此外推，在10年期间，预计老化为0.32 ppm。即是说，当工作温度为85°C时，在10年期间，数据手册直流规格可能漂移0.32 ppm。

　　电路构建和布局

　　在注重精度的电路中，精心考虑电源和接地回路布局有助于确保达到额定性能。在设计PCB时，应采用模拟部分与数字部分相分离的设计，并限制在电路板的不同区域内。如果DAC所在系统中有多个器件要求模数接地连接，则只能在一个点上进行连接。星形接地点尽可能靠近该器件。必须采用足够大的10 µF电源旁路电容，与每个电源引脚上的0.1 µF电容并联，并且尽可能靠近封装，最好是正对着该器件。10 μF电容应为钽珠型电容。0.1 µF电容必须具有低有效串联电阻（ESR）和低有效串联电感（ESL），如高频时提供低阻抗接地路径的普通多层陶瓷型电容，以便处理内部逻辑开关所引起的瞬态电流。各电源线路上若串联一个铁氧体磁珠，则可进一步防止高频噪声通过器件。

　　电源走线必须尽可能宽，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺效应。利用数字地将快速开关信号（如时钟）屏蔽起来，以避免向电路板上的其他器件辐射噪声，并且不得靠近基准输入，也不得置于封装之下。基准输入上的噪声必须降至最低，因为这种噪声会被耦合至DAC输出。避免数字信号与模拟信号交叉，电路板相反两侧上的走线应彼此垂直，以减小电路板的馈通效应。

　　基准电压源

　　维持整个电路性能的是外部基准电压源，其噪声和温度系数直接影响系统的绝对精度。为了充分发挥1 ppm AD5791数模转换器的性能，基准元件和关联元件应具有与DAC不相上下的温度漂移和噪声规格。虽然离温度漂移为0.05 ppm/°C的基准电压源仍相去甚远，但0.1 Hz 至10 Hz范围噪声低于1 μV p-p的1 ppm/°C和2 ppm/°C基准电压源确实存在。

　　结论

　　随着精密仪器仪表以及测试和计量应用对精度的要求不断提高，人们正在开发精度更高的元件，以满足这些需求。此类器件具有1 ppm级精度规格，用户无需进一步校准，而且简单易用。然而，在设计这一精度级别的电路时，必须考虑多种现实环境因素和设计相关因素。精密电路性能的成功与否取决于对这些因素的考虑和理解是否到位，取决于选择正确的元件。