Michael Lynch, Analog Devices
Analog Dialogue
В этой статье мы продемонстрируем ультрапрецизионный программируемый источник напряжения, в котором используются микросхемы компаний Analog Devices и Linear Technology. Для создания программируемого источника напряжения с разрешением 1 ppm, интегральной нелинейностью 1 ppm и долговременным дрейфом лучше 1 ppm от диапазона полной шкалы (FSR) может использоваться микросхема AD5791 совместно с LTZ1000, ADA4077 и AD8675/AD8676 (Рисунок 1). Эта мощная комбинация помогает радиологам за счет необходимой им большей четкости изображения, повышенного разрешения и контрастности разглядеть более мелкие анатомические структуры. Представьте, что это означает применительно к МРТ (магнитно-резонансной томографии). Более детальные изображения органов и мягких тканей позволят медицинским специалистам точнее выявлять проблемы с сердцем, опухоли, кисты и аномалии в различных частях тела. Это лишь одно из множества приложений для описываемого программируемого источника напряжения.
 |
||
| Рисунок 1. | Программируемый источник напряжения. | |
Другими приложениями, требующими точности 1 ppm, являются:
- Наука, медицина, авиация и космонавтика
- Системы медицинской визуализации
- Устройства управления лазерным лучом
- Системы контроля вибраций
- Контроль и измерения
- Автоматизированное измерительное оборудование
- Масс-спектрометрия
- Источники/измерители SMU
- Устройства регистрации и анализа данных
- Промышленная автоматизация
- Производство полупроводниковых приборов
- Автоматизация технологических процессов
- Управление источниками питания
- Сложная робототехника
В контрольно-измерительных системах разрешение и точность 1 ppm обеспечивают более тонкое управление внешними источниками и наноприводами. В устройствах промышленной автоматизации это дает возможность управлять перемещениями и позиционированием с точностью до нанометров.
AD5791
AD5791 – 20-разрядный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) с небуферизованным выходом по напряжению с относительной погрешностью 1 ppm (интегральная нелинейность 1 единица младшего разряда – е.м.р.) и дифференциальной нелинейностью 1 е.м.р. (гарантированная монотонность). Он имеет впечатляющий температурный дрейф 0.05 ppm/ °C, шумы 0.1 ppm пик-пик и долговременную стабильность лучше 1 ppm. AD5791 содержит прецизионную матрицу R-2R, в которой используются самые передовые методы согласования тонкопленочных резисторов (Рисунок 2). ЦАП работает либо от однополярного источника питания до 33 В, либо от двух напряжений –16.5 В … –2.5 В (VSS) и +7.5 В … 16.5 В (VDD). На опорные входы можно подавать напряжения 5 В … (VDD – 2.5 В) и (VSS + 2.5 В) … 0 В. В AD5791 используется универсальный трехпроводный последовательный интерфейс, работающий на частотах до 35 МГц и совместимый с интерфейсными стандартами SPI, QSPI, MICROWIRE и DSP. Микросхема выпускается в 20-выводном корпусе TSSOP.
 |
||
| Рисунок 2. | Лестничная структура матрицы резисторов ЦАП AD5791. | |
LTZ1000
Ультрастабильный источник опорного напряжения LTZ1000 с регулируемой температурой кристалла и выходным напряжением 7.2 В отличается впечатляющими шумами, не превышающими 1.2 мкВ/√кГц, долговременной стабильность 2 мкВ/√кч (кч – 1000 часов) и температурным дрейфом 0.05 ppm/ °C. Микросхема содержит стабилитрон со скрытой структурой, а также нагревательный резистор и транзисторный датчик для стабилизации температуры (Рисунок 3). Для установки рабочих токов и термостабилизации опорного источника используются внешние компоненты. Это обеспечивает максимальную гибкость, наилучшую долговременную стабильность и минимальные шумы.
 |
||
| Рисунок 3. | Упрощенная схема источника опорного напряжения LTZ1000. |
|
ADA4077
В прецизионном малошумящем операционном усилителе ADA4077 сочетаются сверхнизкое напряжение смещения и очень низкие входные токи. В отличие от усилителей на полевых транзисторах, эти основные параметры относительно нечувствительны к окружающей температуре, даже при максимальном значении 125 °C. Выходы без внешних цепей коррекции сохраняют устойчивость при емкостных нагрузках более 1000 пФ.
AD8675/AD8676
AD8675/AD8676 – прецизионные rail-to-rail операционные усилители, в которых ультранизкие значения смещения, дрейфа и шумов сочетаются с очень низким входными токами смещения во всем диапазоне рабочих температур.
Некоторые особенности схемы
Шумы
Чтобы избежать влияния на характеристики схемы по постоянному току, низкочастотный шум должен быть сведен к минимуму. В полосе частот от 0.1 Гц до 10 Гц AD5791 генерирует шумы порядка 0.6 мкВ пик-пик, каждый из усилителей ADA4077 вносит по 0.25 мкВ пик-пик, AD8675 генерирует 0.1 мкВ пик-пик, а LTZ1000 – 1.2 мкВ пик-пик. Сопротивления резисторов выбраны такими, чтобы доля их шумов Джонсона в общем уровне шумов была небольшой.
Конфигурация буфера опорного напряжения AD5791
Коэффициенты усиления буферов опорного напряжения, управляющих выводами REFP и REFN микросхемы AD5791, должны быть равны единице. Любые дополнительные токи, протекающие через резисторы установки коэффициента усиления на входы опорных напряжений, ухудшают точность ЦАП.
Интегральная нелинейность AD5791
На характеристики интегральной нелинейности микросхемы AD5791, хоть и незначительно, но влияют входные токи усилителей, используемых в качестве буферов опорного напряжения. По этой причине были выбраны усилители с низкими входными токами смешения. Ошибка интегральной нелинейности может быть рассчитана с помощью приближенной формулы:
в которой
INL – ошибка интегральной нелинейности (ppm);
IBIAS – входной ток смещения (нА);
VREF – опорное напряжение (В).
Температурный дрейф
Для поддержания малого температурного дрейфа всей системы низкий дрейф должен иметь каждый из выбранных компонентов. Температурный коэффициент AD5791 равен 0.05 ppm FSR/ °C, для LTZ1000 это значение составляет также 0.05 ppm/ °C, а усилители ADA4077 и the AD8675 вносят вклад 0.005 ppm FSR/ °C и 0.01 ppm FSR/ °C, соответственно.
Долговременный дрейф
Еще один важный параметр, способный оказывать существенное негативное влияние на точность системы – это долговременный дрейф. Долговременная стабильность микросхемы AD5791 в типичном случае будет лучше 0.1 ppm за 1000 часов при 125 °C. С помощью LTZ1000 можно достичь долговременной стабильности порядка 1 мкВ в месяц (Рисунок 4).
 |
||
| Рисунок 4. | Долговременная стабильность LTZ1000, начиная с момента первого включения, без предварительной тренировки или искусственного состаривания. |
|
Результаты лабораторных измерений
Ошибка интегральной нелинейности измерялась в лабораторных условиях при комнатной температуре путем изменения кода ЦАП AD5791 от нуля до полной шкалы с шагом приращения кода, равным 5 (Рисунок 5). Напряжение на выходе буфера регистрировались для каждого кода ЦАП с помощью 8.5-разрядного цифрового мультиметра. Результаты измерений уверенно находились в пределах ±1 е.м.р.
 |
||
| Рисунок 5. | Ошибка интегральной нелинейности прецизионного источника напряжения при комнатной температуре. |
|
Шумы
Напряжение шумов, измеренное в середине шкалы, составило 1 мкВ пик-пик, а на полной шкале – 3.7 мкВ пик-пик (Рисунок 6). При выборе кода, соответствующего середине шкалы, уровни шумов, возникающих на путях передачи опорных напряжений, ослабляются ЦАП, чем и объясняется более низкий коэффициент шума для такого кода.
 |
||
| Рисунок 6. | Шумы напряжения в полосе от 0.1 Гц до 10 Гц. | |
Долговременный дрейф
Долговременный дрейф схемы измерялся при температуре 25 °C. Записанный в AD5791 код (¾ шкалы) соответствовал выходному напряжению 5 В, которое измерялось в течение 1000 часов с интервалами 30 минут (Рисунок 7). Измеренные значения дрейфа были ниже менее 1 ppm FSR.
 |
||
| Рисунок 7. | Дрейф выходного напряжения в ppm от диапазона полной шкалы. |
|
Заключение
В дополнение к простоте использования, ЦАП AD5791 обеспечивает гарантированную точность 1 ppm. Однако для полного использования всех прецизионных характеристик AD5791 очень важен правильный выбор компонентов и опорного напряжения. Низкие значения шумов, температурного и долговременного дрейфа, а также высокая точность микросхем LTZ1000, ADA4077, AD8676 и AD8675 позволяют достичь точности, стабильности и воспроизводимости характеристик во времени и температурном диапазоне.
 |
||
| Рисунок 8. | Оценочная плата EVAL-AD5791SDZ с платой источника опорного напряжения на основе LTZ1000. |
|
