采用ADP5070的低噪声、双电源解决方案为单电源系统中的精密双极性DAC AD5761R供电

　　简介

　　本应用笔记描述一个集ADP5070 DC-DC开关稳压器、ADP7142和ADP7182互补金属氧化物半导体(CMOS)低压差(LDO)线性稳压器、LC滤波器及电阻分压器于一体的电路，用以从5 V单电压源产生双电源。AD5761R是一款双极性数模转换器(DAC)，需要双电源以提供双极性输出电压范围。本应用笔记详细说明了如何配置该电路以使其适合只有一个5 V单电源可用的仪表应用。

　　作为双极性DAC的单极性5 V电源解决方案，ADP5070、ADP7142、ADP7182和/或LC滤波器的组合输出单极性和双极性电压范围，其噪声性能与由台式电源供电的DAC相似。

　　本应用笔记包括的电源频谱分析、电压输出噪声和交流性能数据证明了这种方案性能出色。

　　当用户对系统执行不同的测试时，本文提出的电源配置会产生不同的结果。例如，当使用DAC的内部基准电压源时，为了降低10 Hz到10 kHz范围的频谱噪声，包含ADP5070电源和附加LC滤波器的配置是最佳的。另一方面，针对使用外部基准电压源的频谱分析，外部电源可提供最佳结果。对于更高的频率带宽(10 kHz到10 MHz)，给ADP5070电源增加CMOS LDO线性稳压器可提供最佳频谱噪声性能。LC滤波器和LDO配置产生的1.2 MHz开关杂散电平与外部电源配置相当。

　　积分噪声测量确定解决方案的噪声电平随系统灵敏度的变化。由于AD5761R内在的噪声抑制能力，0.1 Hz至10 Hz的输出噪声测量结果之间没有观察到明显的差异。当使用附加LDO时，AD5761R输出噪声大为改善，其性能与基线测量结果相当。

　　对于交流性能测试，AD5761R在本文说明的所有电源配置下都达到了数据手册所述的性能规格。

　　AD5761R是一款16位DAC，集成了输出放大器、基准电压缓冲器和最大5 ppm/°C温度系数的内部基准电压源。AD5761R采用最高30 V的单极性电源供电，或采用−16.5 V至0 V VSS和4.75 V至16.5 V VDD的双电源供电。AD5761R具有8个可编程输出范围和35 nV/√Hz噪声，某些范围的建立时间为7.5 µs。

　　ADR4525是一款2.5 V基准电压源，在本应用笔记所述的测试中用作外部基准电压源，以满足应用对超低噪声基准电压源的需求。

　　ADP5070是一款双通道高性能DC-DC稳压器，可产生独立调节的正供电轨和负供电轨。2.85 V至15 V的输入电压范围支持各种应用。两个稳压器中的集成主开关可产生高达+39 V的可调正输出电压，以及低至输入电压以下−39 V的负输出电压。ADP5070以引脚选择的1.2 MHz/2.4 MHz开关频率工作。此外，该稳压器针对金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)驱动级有一个压摆率控制电路，用以减少电磁干扰(EMI)。

　　ADP7142是一款LDO线性稳压器，采用2.7 V至40 V电源供电，最大输出电流为200 mA。这款高输入电压LDO线性稳压器非常适合于调节由40 V至1.2 V供电轨供电的高性能模拟和混合信号电路。该器件采用专有架构，提供高电源抑制、低噪声特性，并实现了出色的线路与负载瞬态响应性能。ADP7142稳压器在5 V时的输出噪声为11 μV rms或更低，并且能够将5 V选项的输出电压调整至15 V，同时仍可实现低于35 μV rms的噪声电平。

　　ADP7182是一款LDO线性稳压器，采用−2.7 V至−28 V电源供电，最大输出电流为−200 mA。这款高负输入电压LDO线性稳压器非常适合于调节由−27 V至−1.2 V供电轨供电的高性能模拟和混合信号电路。

　　目录

　　简介 ...................................................................................... 1

　　修订历史 ............................................................................... 2

　　双极性DAC .................................................................................... 3

　　产生双极性范围 ........................................................... 3

　　配置AD5761R以支持单电源系统 .......... 4

　　电路描述 ....................................................................... 4

　　测量和结果 .............................................................. 7

　　ADP5070配置 ..............................................................7

　　AD5761R电源配置 ...................................7

　　电源频谱分析 ................................................7

　　AD5761R输出电压噪声 .............................................. 11

　　交流性能 ......................................................................... 16

　　双极性DAC

　　测试与测量、数据采集、执行器控制和工业自动化等应用需要多种电压范围，因为在工作期间电压范围可能会改变。

　　双极性DAC既可输出单极性电压，也可输出双极性电压。为实现这一目标，需要使用双电源。当产生双极性输出范围时，务必考虑设计复杂性和获得双极性范围的实际配置。

　　并非所有双极性DAC都集成了基准电压源、输出缓冲器或基准电压缓冲器以构成完整解决方案。在此类情况下，设计时间、形状因素和选择合适器件的过程会提高应用的复杂性。

　　AD5761R是一款完整的解决方案，提供了所有必需的功能，并且集成了缓冲基准电压源和输出缓冲器。去耦电容是电路唯一需要的外部元件。本文说明的AD5761R配置采用DC-DC开关稳压器、LC滤波器、LDO线性稳压器和/或电阻分压器，支持仅有标准5 V单电源可用的应用。

　　产生双极性范围

　　诸如乘法DAC或nanoDAC等单电源DAC可用来产生双极性输出范围。然而，利用这些DAC产生双极性输出范围需要增加外部分立器件。在此类解决方案中，基本配置包括一个通用DAC、一个放大级和一个偏移级。图1显示了一个采用单电源DAC的分立解决方案示例。在不要求最小板面积、系统整体高性能或低成本的应用中，分立解决方案是可以接受的。要实现图1中的电路，估计需要23 mm2的面积。此估计考虑了外部器件数量增加导致最终输出信号质量下降而引起的误差。增加昂贵的精密电阻以优化系统性能会提高成本。

　　图2所示为AD5761R，其集成了图1为产生双极性范围所需要的外部器件。AD5761R采用3 mm × 3 mm小型LFCSP封装。

　　图1. ±10 V单电源DAC配置

　　图2. AD5761R功能框图

　　配置AD5761R以支持单电源系统

　　电路描述

　　图2所示的AD5761R DAC提供4个单极性输出范围(0 V至5 V、0 V至10 V、0 V至16 V和0 V至20 V)和4个双极性输出范围(−2.5 V至7.5 V、±3 V、±5 V和±10 V)。

　　在本应用笔记中，AD5761R采用特定电源电压供电以覆盖所有8个可能的输出范围。除电压源外，AD5761R还需要最少1 V的上裕量/下裕量，因此，应向该DAC施加最少21 V的VDD和最大−11 V的VSS。当该DAC用于输出较低输出范围时，可以提供较低电源电压。

　　本应用笔记提出两种电源配置，其可提供所需的VDD和VSS电压。为DAC供电的最佳方法由系统可接受的噪声电平决定。这两种配置包括如下器件：

　　• ADP5070和梯形电阻。这种情况下，应插入LK1、LK2、LK7和LK8链接。

　　• ADP5070、梯形电阻和线性稳压器(ADP7142和ADP7182)。这种情况下，应移除LK1、LK2、LK7和LK8链接。

　　LK1和LK2链接用于旁路电路中的线性稳压器，LK7和LK8链接用于确定这些线性稳压器之前的可用电压。表1列出了LK7和LK8链接配置的测试点A和测试点B的可用电压。

　　图3显示了AD5761R的电源配置，其中VDD和VSS是通过不同方式从初始单极性5 V单电源产生。

　　表1. 电源配置选择的链接详情

　　ADR4525也可以从外部提供2.5 V基准电压。

　　DC-DC开关稳压器

　　ADP5070输出电压调节到+21 V和−11 V。为使AD5761R覆盖DAC的所有8个可能的可编程输出范围，这些电源电压是必需的。

　　图3显示了两个滤波器元件，主要用于消除开关纹波。增加一个LC滤波器作为初始纹波滤波器，其位于稳压器控制环路内部。在纹波频率，该LC滤波器的值可实现相当大的衰减。在开关稳压器的输出级可增加二级LDO线性稳压器(可选)，以便进一步消除纹波。单凭LC滤波器，AD5761R就能达到数据手册的性能规格，不过某些情形要求更低的噪声，为此可以在输出级级联一个LDO。

　　图3. AD5761R电源配置

　　线性稳压器

　　ADP5070连同ADP7182和ADP7142线性稳压器，是本电路中的替代选择，可获得最低噪声的+21 V和−11 V电压源。注意：对于这种方法，LK1、LK2、LK7和LK8需移除。

　　ADP5070提供+39 V的正输出电压和–39 V的负输出电压。图4显示了构成电阻分压器(R26、R27和R31;R28、R29和R30)的电阻值，这些电阻分压器用以将上述电压调节为ADP7142和ADP7182的可接受输入电压。注意：除了线性稳压器的输出电压要求，还需要最少2 V的上裕量/下裕量。

　　这两个线性稳压器(ADP7142和ADP7182)均配置为以尽可能低的噪声提供输出电压信号。如ADP7142和ADP7182数据手册所述，为了获得超低输出噪声，设置输出电压的电阻分压器需要增加两个元件。CNR(C1、C2)和RNR(R2、R4)与RFB1(R3、R5)并联，用以降低误差放大器的交流增益。

　　在开关稳压器的输出级增加线性稳压器可降低未被无源滤波器完全消除的DAC输出积分噪声。

　　电阻分压器

　　图5显示了通过电阻分压器将ADP5070的正负输出电压调节为AD5761R所需的+21 V VDD和−11 V VSS电压源的方案。这种配置不涉及线性稳压器，因此应插入LK1、LK2、LK7和LK8链接。

　　图4. 采用ADP5070和线性稳压器的AD5761R电源配置

　　图5. 采用ADP5070和电阻分压器的AD5761R电源配置