本文提供了用于選擇電壓輸出DAC最佳串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源的深入分析、程序和選擇表。它涵蓋了所有重要參數(shù),例如:輸入電源電壓、基準(zhǔn)輸出電壓、初始精度、線路和負(fù)載調(diào)整率、穩(wěn)定性和噪聲。此外,還給出了四個常見的設(shè)計示例。
在設(shè)計包含數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和外部基準(zhǔn)電壓源的系統(tǒng)時,基準(zhǔn)電壓源規(guī)格與DAC本身的規(guī)格同樣重要。本文探討了為電壓輸出DAC選擇外部三端串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源所涉及的一些問題。DAC系統(tǒng)設(shè)計示例用于說明在優(yōu)化成本、精度或功耗時的各種權(quán)衡。
關(guān)于基準(zhǔn)電壓源的幾句話
本文主要關(guān)注Maxim的三端串聯(lián)帶隙基準(zhǔn)電壓源,但也討論了埋極齊納基準(zhǔn)。不包括雙端子并聯(lián)基準(zhǔn)電壓源,因為三端子串聯(lián)器件現(xiàn)在以具有競爭力的價格提供,并且具有相對于輸入電壓幾乎恒定的低靜態(tài)電流。
MAX6006-MAX6009雙端并聯(lián)基準(zhǔn)系列值得考慮用于超低功耗應(yīng)用,因為它們可以產(chǎn)生1.25V、2.048V、2.5V或3V,工作電流僅為1μA。 Maxim還提供一系列低成本、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的LM4040并聯(lián)基準(zhǔn)。
基于齊納基準(zhǔn)電壓源的基準(zhǔn)電壓源經(jīng)過光處理,主要是因為它們具有高輸入電壓要求(這限制了它們在電源電壓較低的系統(tǒng)中的適用性)。盡管重點縮小,但本文中涵蓋的許多主題適用于其他參考類型。例如,由偏置電流變化引起的并聯(lián)基準(zhǔn)電壓源上的基準(zhǔn)電壓變化類似于串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源的負(fù)載調(diào)節(jié),并且可以用類似的方式分析對DAC性能的影響。
圖1所示為典型設(shè)計的三端串聯(lián)電壓基準(zhǔn)(MAX6325)和DAC(MAX5170)之間的連接。在這種情況下,基準(zhǔn)電壓源和DAC之間顯示了一個外部電容,但如果空間有限,并且DAC沒有快速電源或輸出瞬態(tài)開關(guān),則通??梢允∪ピ撾娙?。該圖還顯示了電源濾波輸入電容器和寬帶降噪電容器,但這兩個電容器也是可選的。最后,MAX6325電壓基準(zhǔn)具有TRIM引腳,允許用戶選擇使用外部電位器消除初始誤差。
圖1.連接一個三端串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源和一個DAC。
基準(zhǔn)電壓規(guī)格的定義
除了成本和封裝之外,關(guān)于基準(zhǔn)電壓源選擇的討論中還將涵蓋幾種(但不是全部)規(guī)格。這些規(guī)范在本文末尾列出的參考文獻(xiàn)中有詳細(xì)描述,因此這里僅簡要總結(jié)它們。以下是規(guī)范的定義:
輸入電源電壓:基準(zhǔn)電壓源的電源輸入電壓。上端受用于基準(zhǔn)電壓源的硅工藝的限制,底端受基準(zhǔn)輸出和壓差限制:
VIN(MIN) = VREF + VDROPOUT
基準(zhǔn)輸出電壓:
DAC基準(zhǔn)輸入端使用的穩(wěn)壓。
初始精度:精度用詞不當(dāng),因為它實際上代表了初始輸出電壓誤差。在 25°C 時以 % 或 mV 為單位。 一些固定電壓和任何可調(diào)基準(zhǔn)電壓源都可以調(diào)整以提高精度。
基準(zhǔn)輸出電流:基準(zhǔn)電壓源可源向DAC基準(zhǔn)輸入端的可用負(fù)載電流。本文中介紹的所有參考資料也可以吸收電流,但不能吸收電流。
基準(zhǔn)負(fù)載調(diào)整率: 參考輸出電壓的增量變化,用于參考輸出電流的直流變化。以μV/μA或等效的mV/mA、mV(在整個輸出電流范圍內(nèi))、ppm/mA或%/mA為單位。
輸入線路調(diào)節(jié):輸入電源電壓直流變化時基準(zhǔn)輸出電壓的增量變化。規(guī)格單位為μV/V。
輸出電壓溫度系數(shù)(溫度系數(shù)):給定溫度變化時基準(zhǔn)輸出電壓的變化。以ppm/°C為單位。 Maxim采用盒式方法,其中最大基準(zhǔn)輸出分?jǐn)?shù)電壓變化除以最大工作溫度范圍:
TCVOUT = 106 ×| ΔVREF(max)/ VREF | / (TMAX-TMIN)
輸出電壓溫度遲滯:
溫度循環(huán)后+25°C時基準(zhǔn)輸出電壓的變化(T最低到 T.MAX) 應(yīng)用。指定為以 ppm 表示的電壓比。
溫度 = = 106 × | ΔVREF / VREF |, where ΔVREF = VREF before ΔT cycle minus VREF after ΔT cycle.
輸出電壓長期穩(wěn)定性:
基準(zhǔn)輸出電壓隨時間的變化。以 ppm/1000 小時為單位指定。超過1000小時間隔的累積漂移沒有指定,但它通常遠(yuǎn)低于初始漂移,初始漂移本身可以通過PCB級老化來改善。
輸出噪聲電壓:基準(zhǔn)輸出端的電壓噪聲。在1.0Hz至1Hz帶寬范圍內(nèi),10/f分量以μVp-p為單位,寬帶噪聲通常以μV為單位有效值在 10Hz 至 10kHz 帶寬范圍內(nèi)。
容性負(fù)載穩(wěn)定性范圍:基準(zhǔn)電壓源在其輸出端可以承受的容性負(fù)載范圍(包括用戶提供的電容、負(fù)載提供的電容和雜散電容)。外部電容器僅用于限制大負(fù)載或電源瞬變,并且可以在許多設(shè)計中省去以節(jié)省電路板空間。一些基準(zhǔn)具有引腳,可以增加補(bǔ)償電容(MAX872)或降噪電容(MAX6325)以提高性能。
DAC 注意事項
本文僅討論緩沖電壓輸出DAC,因為這種架構(gòu)更容易說明關(guān)鍵點。電流輸出DAC通常用于乘法配置(MDAC)以提供可變增益,并且通常需要外部運算放大器來產(chǎn)生電壓輸出。
本文考慮的所有Maxim電壓輸出DAC均采用反相R-2R架構(gòu)。從基準(zhǔn)電壓的角度來看,這種DAC架構(gòu)的主要特性是DAC基準(zhǔn)輸入電阻與DAC代碼的變化。必須注意確?;鶞?zhǔn)電壓源能夠在DAC的最小基準(zhǔn)輸入電阻下提供足夠的電流,并在DAC代碼變化時具有足夠的負(fù)載調(diào)節(jié)。圖4顯示了一個2位示例及其歸一化基準(zhǔn)輸入電流。請注意,DAC代碼0處的基準(zhǔn)電流未顯示在圖中,因為連接到基準(zhǔn)的所有開關(guān)都開路,幾乎沒有基準(zhǔn)電流流動。另外兩個對基準(zhǔn)電壓選擇很重要的DAC規(guī)格是基準(zhǔn)輸入電壓范圍和DAC輸出增益。
圖2.反相 R-2R 架構(gòu)和基準(zhǔn)輸入電流變化(4 位)。
輸出誤差和精度定義
我們將輸出誤差定義為與理想輸出電壓的偏差,該電壓源將由完美基準(zhǔn)電壓源和DAC提供。需要注意的是,本文將討論絕對精度,這意味著所有內(nèi)容都以理想的DAC輸出電壓范圍為參考。例如,12位DAC代碼4095應(yīng)產(chǎn)生4.095V的輸出,基準(zhǔn)電壓為4.096V;任何與此的偏差都是錯誤。這與相對精度形成鮮明對比,在相對精度中,滿量程輸出更多地由應(yīng)用而不是絕對電壓決定。例如,在比例式系統(tǒng)中,ADC和具有相同分辨率的DAC共享一個基準(zhǔn)電壓源,只要DAC輸出和ADC輸入電壓對于給定的數(shù)字代碼幾乎相同,實際基準(zhǔn)電壓是多少可能無關(guān)緊要(在合理范圍內(nèi))。
輸出誤差通常指定為單側(cè)值(以DAC分辨率下的LSB為單位),但實際上意味著雙面誤差(圖3)。例如,具有12.4V輸出范圍的096位DAC的理想LSB步長為4.096V/4096 = 1mV。如果本例中指定的輸出誤差為4位分辨率下的12LSB,則意味著任何代碼的DAC輸出都可能比理想值±4LSB(或±4mV)。我們根據(jù)我們有多少實際位來定義精度,以達(dá)到所需的輸出電壓,誤差最多為1LSB:
精度 = DAC 分辨率 - log2(錯誤)
在我們的示例中,我們實際上有 10 位(12 - log2(4))的精度,因為我們只能在任何給定的理想DAC輸出值的1位分辨率(±10mV = ±4/4 = ±4096/1)下達(dá)到1024LSB以內(nèi)。
圖3.DAC傳遞函數(shù)和輸出誤差(假設(shè)為零偏移)。
有幾個源會導(dǎo)致輸出誤差,但有些源(如DAC失調(diào))被忽略,因為它們與基準(zhǔn)電壓選擇過程無關(guān)。考慮的基準(zhǔn)電壓源誤差源包括初始誤差、溫度系數(shù)、溫度遲滯、長期穩(wěn)定性、負(fù)載和線路調(diào)整率以及輸出噪聲。DAC誤差源包括INL、增益誤差、增益-誤差溫度系數(shù)和輸出噪聲。
雖然目標(biāo)誤差適用于整個DAC碼范圍,但上述大多數(shù)誤差源都會產(chǎn)生有效的增益-誤差變化,在傳遞函數(shù)的滿量程(最高DAC碼)附近最大(圖3)。增益誤差隨著DAC碼值的減小而減小;這些誤差在中間量程時減半,在代碼零附近幾乎消失,其中偏移誤差占主導(dǎo)地位。誤差源不完全影響增益誤差,而是同樣適用于大多數(shù)DAC代碼范圍,包括DAC INL和輸出噪聲。
INL通常使用以下兩種方法之一進(jìn)行定義:絕對線性度或終點線性度。絕對線性度將DAC線性度與理想的傳遞函數(shù)線性度進(jìn)行比較。端點線性使用兩個測量的端點來定義線性(在這些點之間繪制一條直線),并將所有其他點與此線進(jìn)行比較。無論哪種情況,INL都應(yīng)包括在誤差分析中。在后一種情況下,DAC INL誤差在端點處為零,但可以在這些值內(nèi)的DAC碼字處出現(xiàn)。例如,對于在12V和0.4V(滿量程)端點之間定義INL的095位DAC,INL規(guī)范適用于接近0和4095的DAC代碼。為了計算最大誤差,將DAC的INL和噪聲引起的輸出誤差與前面提到的增益誤差相加是合理的,這些誤差在代碼4095附近最為嚴(yán)重。
數(shù)字轉(zhuǎn)換器設(shè)計示例
為了說明DAC基準(zhǔn)電壓源選擇所涉及的步驟,我們創(chuàng)建了一些設(shè)計示例,以涵蓋一系列應(yīng)用(表1)。這些示例僅包含 10 位、12 位和 14 位 DAC 設(shè)計,因為它們最具啟發(fā)性。設(shè)計步驟按設(shè)計示例分為各個部分(請參閱設(shè)計 A、設(shè)計 B 等)。
表 1.DAC 設(shè)計示例的要求
參數(shù) | 設(shè)計A | 設(shè)計 B | 設(shè)計 C | 設(shè)計 D |
主要設(shè)計目標(biāo) | 成本低,精度松散 | 高絕對準(zhǔn)確度和精密度 | 一次性校準(zhǔn),低漂移 | 低電壓,電池供電,精度適中 |
示例應(yīng)用程序 | 消費類音頻設(shè)備 | 實驗室儀器 | 數(shù)字失調(diào)和增益調(diào)整 | 便攜式儀器 |
代數(shù)轉(zhuǎn)換器 | MAX5304,10位單通道 | MAX5170,14位單通道 | MAX5154,12位雙通道 | MAX5176,12位單通道 |
最小基準(zhǔn)輸入電阻 | 18kΩ | 18kΩ | 7kΩ (14kΩ||14kΩ 共享參考輸入) | 18kΩ |
輸出電壓 | 范圍 = 0 -2.5V | 范圍 = 0 - 4.096V | 范圍 = 0 -4.000V | 范圍 = 0 -2.048V |
數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出 | 力/感 | 固定增益 = 1.638 | 固定增益 = 2 | 固定增益 = 1.638 |
電源 |
5V(可變) 4.5V 最小 值 5.5V 最大值 |
5V(恒定) 4.95V 最小 值 +12V 可用 |
5V(恒定) 4.75V 最小 值 5.25V 最大值 |
3V(可變V巴特) 最小 2.7V 3.6V 最大值 |
溫度范圍 | 0°C 至 70°C(商用) | 0°C 至 70°C(商用) | -40°C 至 85°C(擴(kuò)展) | 15°C 至 45°C(商用<) |
信號帶寬 | 10Hz 至 10kHz | 直流至 1kHz | 直流至 10Hz | 直流至 10Hz |
數(shù)字轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn) | 沒有 | 老化 + 年度(增益和偏移) | 一次性工廠(增益和失調(diào)) | 沒有 |
最大錯誤目標(biāo) | 16LSB @ 10 位(6 位精度) | 2LSB @ 14 位(13 位精度) | 4LSB @ 12 位(10 位精度) | 8LSB @ 12 位(9 位精度) |
第1步:電壓范圍和基準(zhǔn)電壓測定
為 DAC 應(yīng)用選擇基準(zhǔn)電壓源時,首先要考慮的是評估電源電壓和 DAC 輸出電壓范圍(表 2)。為了簡化上述設(shè)計示例,已經(jīng)選擇了DAC,因此它們的輸出增益不是我們在實際設(shè)計中需要權(quán)衡的變量。
表 2.DAC設(shè)計示例的電壓相關(guān)參數(shù)
參數(shù) | 設(shè)計 A | 設(shè)計 B | 設(shè)計 C | 設(shè)計 D |
主要設(shè)計目標(biāo) | 成本低,精度松散 | 高絕對準(zhǔn)確度和精密度 | 一次性校準(zhǔn),低漂移 | 低電壓,電池供電,精度適中 |
示例應(yīng)用程序 | 消費類音頻設(shè)備 | 實驗室儀器 | 數(shù)字失調(diào)和增益調(diào)整 | 便攜式儀器 |
輸出電壓 | 范圍 = 0 - 2.5V | 范圍 = 0 - 4.096V | 范圍 = 0 - 4.096V | 范圍 = 0 -2.048V |
電源 |
5V(可變) 4.5V 最小 值 5.5V 最大值 |
5V(恒定) 4.95V 最小 值 +12V 可用 |
5V(恒定) 4.75V 最小 值 5.25V 最大值 |
3V(可變 V巴特) 最小 2.7V 3.6V 最大值 |
用于所需輸出電壓的基準(zhǔn)電壓和DAC增益選項 | 2.5V (增益 = 1)* 2.048V (增益 = 1.221) 1.25V (增益 = 2) | 2.5V (增益 = 1.638)* 2.048V (增益 = 2) 1.25V (增益 = 3.277) 3.0V (增益 = 1.365) | 2.048V (增益 = 2)* 1.25V (增益 = 3.277) 3.0V (增益 = 1.365) | 1.25V (增益 = 1.638)* |
壓差電壓 | 2.00 | 9.5 | 2.70 | 1.45 |
*為每個設(shè)計示例選擇基準(zhǔn)電壓和DAC增益
設(shè)計A:低成本,精度松散
以設(shè)計A為例,VDD為5V,輸出范圍為0-2.5V,因此采用2.5V基準(zhǔn),MAX5304力/檢測輸出設(shè)置為單位增益(OUT和FB引腳短路)。較低的基準(zhǔn)電壓源可以與較高的外部設(shè)置增益一起使用,但我們選擇為這種低成本設(shè)計節(jié)省兩個電阻。
設(shè)計B:高絕對精度和精密度
設(shè)計B示例選擇2.5V基準(zhǔn),因為MAX5170增益固定在1.638,最終輸出電壓范圍為0-4.096V。如果設(shè)計B需要較低的基準(zhǔn)電壓,可以使用MAX5171 DAC,其輸出力/檢測增益可通過外部電阻設(shè)置為高于1.638,如圖4所示。請注意,最小VDD電平為4.95V,因此我們可以使用的最高基準(zhǔn)電壓為4.95V - 1.4V = 3.55V,因為DAC基準(zhǔn)輸入限制為(VDD - 1.4V)*。
*此限制適用于本文中提到的所有 DAC。
圖4.設(shè)計 B 基準(zhǔn)選項:(a) 2.5V(選任)、(b) 2.048V、(c) 1.25V。
設(shè)計 C:一次性校準(zhǔn),低漂移
在Design-C示例中,MAX5154的固定增益為2,因此2.048V基準(zhǔn)在滿量程時提供4.096V標(biāo)稱輸出。該電壓必須超過我們的4.000V設(shè)計要求,以便我們可以使用增益校準(zhǔn)將電壓縮小到0V至4V范圍。如果使用MAX5156力/檢測DAC,該設(shè)計還具有其他基準(zhǔn)電壓選項。請注意,基準(zhǔn)輸入上限電壓為4.75V - 1.4V = 3.35V。
設(shè)計 D:低電壓、電池供電、中等精度
在設(shè)計D示例中,最小VDD為2.7V,因此可以使用的最大基準(zhǔn)電壓為2.7V - 1.4V = 1.3V。本例中,1.25V基準(zhǔn)滿足0V至2.048V輸出范圍,MAX5176增益為1.638。重要的是,最差情況下的基準(zhǔn)電壓(包括所有誤差項)應(yīng)保持在1.3V以下,否則將超過DAC基準(zhǔn)輸入電壓的規(guī)格。
計算了每個設(shè)計示例的近似壓差(表2)。所有這些電壓均遠(yuǎn)高于Maxim基準(zhǔn)電壓源的典型200mV(或更低)壓差。由于大多數(shù)Maxim DAC的基準(zhǔn)電壓上限限制為VDD - 1.4V,因此,如果DAC和基準(zhǔn)電壓源使用相同的正電源軌,則這些設(shè)計通??梢院雎詨翰睢翰钍墙浦?,因為它們是在沒有任何誤差項(如初始精度)的情況下計算的,但與典型的壓差電壓相比,這些誤差很小,可以忽略不計。
第2步:初始基準(zhǔn)電壓器件選擇標(biāo)準(zhǔn)
在為每種設(shè)計選擇最佳基準(zhǔn)時,需要考慮許多因素。為了使程序易于管理,將根據(jù)上述確定的基準(zhǔn)電壓、所需初始精度的估計值、近似的溫度系數(shù)以及所選DAC所需的參考輸出電流來識別候選器件(表3)。其他因素,如成本、靜態(tài)電流、封裝和對其余規(guī)格的快速瀏覽,將用于為每個設(shè)計選擇特定的初始器件。其余規(guī)格將在下一節(jié)(步驟3)中進(jìn)行分析,以確定器件是否滿足整體精度要求。
表 3.初始設(shè)備選擇注意事項
參數(shù) | 設(shè)計A | 設(shè)計 B | 設(shè)計 C | 設(shè)計 D |
主要設(shè)計目標(biāo) | 成本低,精度松散 | 高絕對準(zhǔn)確度和精密度 | 一次性校準(zhǔn),低漂移 | 低電壓,電池供電,精度適中 |
示例應(yīng)用程序 | 消費類音頻設(shè)備 | 實驗室儀器 | 數(shù)字失調(diào)和增益調(diào)整 | 便攜式儀器 |
數(shù)字轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn) | 沒有 | 年度(收益和抵消) | 一次性工廠(增益和失調(diào)) | 沒有 |
最大錯誤目標(biāo) | 16LSB @ 10 位(6 位精度) | 2LSB @ 14 位(13 位精度) | 4LSB @ 12 位(10 位精度) | 16LSB @ 12 位(8 位精度) |
估計初始精度(從步驟 2 開始) | 0.4% (4LSB @ 10 位) | 由于增益校準(zhǔn),不重要 | 由于增益校準(zhǔn),不重要 | 0.32% (3200ppm) |
估計溫度系數(shù)(從步驟 2 開始) | 75ppm/°C | 2ppm/°C | 5ppm/°C | 20ppm/°C |
參考電壓(V裁判)(從步驟 1 開始) | 2.5 | 2.5 | 2.048 | 1.25 |
數(shù)據(jù)手冊中的最小基準(zhǔn)輸入電阻 (R最低) | 18kΩ | 18kΩ | 7kΩ (14kΩ||14kΩ 共享參考輸入) | 18kΩ |
最大輸出電流要求 (V裁判/R最低) | 140μA 最大值 | 140μA 最大值 | 最大 293μA (雙通道數(shù)字轉(zhuǎn)換器) | 69μA 最大值 |
基準(zhǔn)電壓候選(初始精度, 溫度系數(shù),輸出電流) |
MAX6002 (1%,100ppm/°C,400μA) MAX6102* (0.4%,75ppm/°C,5mA) MAX6125 (1%,50ppm/°C,1mA) |
MAX6225A/B (0.04/0.12%,2/5ppm/°C,5mA) MAX6325* (0.04%,1ppm/°C,15mA) |
MAX6162A*/B (0.1/0.24%, 5/10ppm/°C, 5mA) MAX6191A/B/C (0.1/0.24/0.5%, 5/10/25ppm/°C, 500μA) |
MAX6012A/B (0.32/0.48%, 20/30ppm/°C, 500μA) MAX6190A*/B /C (0.16/0.32/0.48%, 5/10/25ppm/°C, 500μA) |
*每個設(shè)計示例的初始參考選擇
設(shè)計A:低成本,精度松散
乍一看,MAX6002(0.39美元/2500個)似乎是設(shè)計A的不二之選,因為A要求低成本和相當(dāng)寬松的精度。但進(jìn)一步觀察會發(fā)現(xiàn),MAX6002不是一個好的選擇。其組合初始精度(1%,10位時為~10LSB)和溫度系數(shù)誤差(70°C × 100ppm/°C = 7000ppm ~ 7LSB(10位時)已經(jīng)違反了設(shè)計A的總體精度要求(17LSB在16位時超過10LSB的設(shè)計要求),即使不包括其他誤差項,如負(fù)載調(diào)整率、噪聲等。MAX6125的精度為1%,其50ppm/°C的溫度系數(shù)使我們處于設(shè)計A誤差限值(~13.5LSB)之內(nèi),但其成本(0.95美元/1000個)對于本應(yīng)用來說太高了。
MAX6002可用于精度要求進(jìn)一步放寬或采用某種校準(zhǔn)方案的情況,而更昂貴的MAX6125可能可以毫不妥協(xié)地滿足要求。假設(shè)精度要求很高,本例說明了DAC設(shè)計基準(zhǔn)選擇的關(guān)鍵權(quán)衡:初始元件成本(MAX6125)與校準(zhǔn)成本(MAX6002)。
對Maxim基準(zhǔn)電壓源選擇表的進(jìn)一步研究揭示了設(shè)計A的更好選擇。如果將總誤差的一半(8位~10.0%時為8LSB)任意分配給初始精度,將一半分配給溫度系數(shù)(0.8% = 8000ppm/70°C = 114ppm/°C),MAX6102(0.55美元/2500個,初始精度0.4%,75ppm/°C)表面是最佳選擇。MAX6102可為負(fù)載提供5mA電流,因此能夠驅(qū)動MAX5304 DAC的基準(zhǔn)輸入(2.5V/18 kΩ ~ 140μA最大值)。如果在分析其它誤差項時排除了MAX6102,則可以重新考慮MAX6125作為備用替代方案。
設(shè)計B:高絕對精度和精密度
由于設(shè)計B具有如此具有挑戰(zhàn)性的精度要求,MAX6225和MAX6325埋入式齊納基準(zhǔn)是最初的候選選擇,因為它們具有如此低的溫度系數(shù)、出色的長期穩(wěn)定性和低噪聲。這些器件還具有非常好的初始精度,但對于設(shè)計B來說,這是一個沒有實際意義的規(guī)格,因為DAC和基準(zhǔn)電壓源引起的增益誤差被校準(zhǔn)出來。MAX6225和MAX6335提供15mA電流,因此驅(qū)動MAX5170 DAC基準(zhǔn)輸入(最大2.5V/18k ~ 140μA)不是問題。之所以選擇MAX6325,是因為它具有唯一的溫度系數(shù)(70°C × 1ppm/°C = 70ppm最大值),低于122ppm的總體精度要求(2LSB @ 14位= 2/214= 2/16384 = 1.22 × 10-4= 122ppm),同時為其他誤差源留出余量。如果我們稍微放寬設(shè)計B的精度要求,MAX6225 A級器件(2ppm/°C最大溫度系數(shù))將允許我們將基準(zhǔn)成本降低一半以上。
設(shè)計B示例中采用12V電源,方便使用MAX6325,MAX8需要至少8V的輸入電壓。如果系統(tǒng)中沒有6166V(或更高)電壓,則可以考慮MAX6192(A級)或MAX<>(A級)基于帶隙的基準(zhǔn),但需要稍微放寬系統(tǒng)規(guī)格。
設(shè)計 C:一次性校準(zhǔn),低漂移
考慮MAX6162和MAX6191 A級器件,因為它們具有低溫度系數(shù)(最大值為5ppm/°C),這是滿足設(shè)計C要求所必需的:
總誤差預(yù)算為 4LSB,12 位 = 4 / 4096 ×106= 977ppm
所需溫度系數(shù) <= 977ppm / (85 - (-40)) °C = 7.8ppm / °C
超出溫度系數(shù)的可用誤差 = 977ppm - 5ppm / °C ×125°C = 352ppm
注意,MAX6162和MAX6191的初始精度均為2mV (977ppm),但對于2.048V基準(zhǔn),這不是問題,因為輸出電壓范圍僅為0-4.000V,本設(shè)計計劃進(jìn)行增益校準(zhǔn)。MAX6162 (5mA輸出電流驅(qū)動)和MAX6191 (500μA輸出電流驅(qū)動)均能夠驅(qū)動MAX293 DAC基準(zhǔn)引腳連接在一起時產(chǎn)生的5154μA基準(zhǔn)輸入電流(2.048V/[14kΩ||14kΩ]);但是,如果將額外的負(fù)載連接到基準(zhǔn)輸出,MAX6162具有更大的裕量。MAX6162的靜態(tài)電流確實高于MAX6191(120μA,最大值為35μA),但這不是決定性因素,因為設(shè)計C不受功耗限制。
在查看了初始規(guī)格后,很明顯這兩種設(shè)備都可能是可以接受的。然而,MAX6162因其較高的輸出電流而成為首選。如果進(jìn)一步分析顯示MAX6162略微不能接受,則可以考慮MAX6191,因為它具有稍好的負(fù)載調(diào)節(jié)、溫度遲滯和長期穩(wěn)定性規(guī)格。
設(shè)計 D:低電壓、電池供電、中等精度
按照其他示例中使用的方法,發(fā)現(xiàn)設(shè)計 D 的總誤差為 3906ppm (106× 16/4096)。在 15°C 至 45°C 的窄溫度范圍內(nèi),我們可以承受最多 130.2ppm/°C (3906ppm/30°C) 的溫度系數(shù)。使用設(shè)計A的經(jīng)驗法則將大約一半的誤差預(yù)算分配給溫度系數(shù)(<65ppm/°C),合理、保守的基準(zhǔn)選擇是MAX6012(A和B等級分別為20ppm/°C和30ppm/°C)和MAX6190(A、B和C等級分別為5ppm/°C、10ppm/°C和25ppm/°C, 分別)。考慮這些器件是因為它們的最大靜態(tài)電流為35μA,適合設(shè)計D的低功耗需求。
MAX6190價格(C級為1.45美元/1000個)與MAX6012價格(B級為1.35美元/2500個)處于同一范圍。任何一部分都可能在應(yīng)用程序中工作。然而,A級MAX6012特別有吸引力,因為它采用SOT23-3封裝,非常適合小型電池供電的便攜式儀器。
快速檢查A級MAX6012,溫度相關(guān)誤差為600ppm(30°C×20ppm/°C)。3200ppm (0.32%) 的初始誤差也需要考慮,因為此設(shè)計沒有計劃進(jìn)行修整。這兩個誤差的總和為3800ppm,超出可能的3906ppm設(shè)計限值。在這種邊緣情況下,下一節(jié)(步驟3)中考慮的其他一些規(guī)格,例如負(fù)載調(diào)整率,溫度遲滯,甚至線路調(diào)節(jié)(由于電池電壓的變化),可能會使我們超過3906ppm。由于MAX6012可能不夠用,我們將放棄SOT23-3封裝,選擇A級MAX6190作為起點,因為它的初始誤差為1600ppm和5ppm/°C,為其他誤差項留下了足夠的空間?;鶞?zhǔn)輸出電流不是本設(shè)計的問題,因為MAX6190可以提供500μA (>>69μA設(shè)計要求)。
第 3 步:最終規(guī)格審查和誤差預(yù)算分析
隨著基準(zhǔn)電壓源的初步選擇和備用IC的到位,現(xiàn)在是時候驗證其余規(guī)格了,包括基準(zhǔn)負(fù)載調(diào)節(jié)、輸入線路調(diào)節(jié)、輸出電壓溫度遲滯、輸出電壓長期穩(wěn)定性和輸出噪聲電壓。分析還需要每種設(shè)計的關(guān)鍵系統(tǒng)級和DAC規(guī)格(表4)。
表 4.最終分析的重要規(guī)格
參數(shù) | 設(shè)計A | 設(shè)計 B | 設(shè)計 C | 設(shè)計 D |
主要設(shè)計目標(biāo) | 成本低,精度松散 | 高絕對準(zhǔn)確度和精密度 | 一次性校準(zhǔn),低漂移 | 低電壓,電池供電,精度適中 |
示例應(yīng)用程序 | 消費類音頻設(shè)備 | 實驗室儀器 | 數(shù)字失調(diào)和增益調(diào)整 | 便攜式儀器 |
代數(shù)轉(zhuǎn)換器 |
MAX5304, 10位單通道 |
MAX5170, 14位單通道 |
MAX5154, 12位雙通道 |
MAX5176, 12位單通道 |
數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出 | 力/檢測增益設(shè)置為 1 | 固定增益 = 1.638 | 固定增益 = 2 | 固定增益 = 1.638 |
電壓基準(zhǔn) | MAX6102 | MAX6325 |
MAX6162 A級 |
MAX6190 A級 |
參考電壓 | 2.5 | 2.5 | 2.048 | 1.25 |
參考初始精度 | 0.4% 或 4000ppm | 由于增益校準(zhǔn),不重要 | 由于增益校準(zhǔn),不重要 | 0.16% 或 1600ppm |
選定的參考溫度系數(shù)(最大值) | 75ppm°C | 1ppm/°C | 5ppm/°C | 5ppm/°C |
基準(zhǔn)負(fù)載調(diào)整率 | 0.9mV/mA | 6ppm/mA | 0.9mV/mA | 0.5μV/μA |
溫度范圍 | 0°C 至 70°C(商用) | 0°C 至 70°C(商用) | -40°C 至 85°C(擴(kuò)展) | 15°C 至 45°C(商用<) |
信號帶寬 | 10Hz 至 10kHz | 直流至 1kHz | 直流至 10Hz | 直流至 10Hz |
數(shù)字轉(zhuǎn)換器校準(zhǔn) | 沒有 | 年度(收益和抵消) | 一次性工廠(增益和失調(diào)) | 沒有 |
最大錯誤目標(biāo) | 15625ppm (16LSB @ 10 位) | 122ppm (2LSB @ 14 位) | 977ppm (4LSB @ 12 位) | 3906ppm (16LSB @ 12 位) |
對每個示例進(jìn)行分析,重點關(guān)注適用于該特定設(shè)計的規(guī)格。該分析的結(jié)果以及上一節(jié)的結(jié)果匯總在表5的誤差預(yù)算中。
以ppm為單位進(jìn)行誤差預(yù)算核算是最方便的,盡管這可以等效地以其他單位(如%,mV或LSB)完成。應(yīng)用適當(dāng)?shù)目s放比例并使用適當(dāng)?shù)囊?guī)范化因子來獲取正確的錯誤值非常重要?;鶞?zhǔn)誤差項可以相對于基準(zhǔn)電壓或DAC輸出電壓等效計算。例如,如果我們假設(shè)基準(zhǔn)誤差為2.5mV(噪聲、漂移等),基準(zhǔn)電壓為2.5V,則得到以下結(jié)果:
基準(zhǔn)輸出誤差 = 106× 2.5mV / 2.5V = 1000ppm
如果我們假設(shè)DAC輸出放大器的增益為2.0,則誤差和基準(zhǔn)電壓都會縮放,因此我們在DAC輸出(5V滿量程范圍)得到相同的結(jié)果:
DAC 輸出誤差 = 106× (2.5mV × 2) / (2.5V × 2) = 1000ppm
表 5.誤差預(yù)算分析
參數(shù) | 設(shè)計 一個 | 設(shè)計 B | 設(shè)計 C | 設(shè)計 D |
主要設(shè)計目標(biāo) | 成本低,精度松散 | 高絕對準(zhǔn)確度和精密度 | 一次性校準(zhǔn),低漂移 | 低電壓,電池供電,精度適中 |
示例應(yīng)用程序 | 消費類音頻設(shè)備 | 實驗室儀器 | 數(shù)字失調(diào)和增益調(diào)整 | 便攜式儀器 |
引用初始錯誤 | 4000ppm | - | - | 1600ppm |
基準(zhǔn)電壓源/DAC校準(zhǔn)后誤差 | - | 0ppm | 244ppm | - |
參考溫度系數(shù)誤差 | 5250ppm | 70ppm | 625ppm | 150ppm |
參考溫度滯后 | 130ppm | 20ppm | 80ppm | 75ppm |
參考長期穩(wěn)定性 | 100ppm | 30ppm | 160ppm | 100ppm |
基準(zhǔn)負(fù)載調(diào)整率誤差 | 50ppm | 1ppm | 129ppm | 28ppm |
參考線調(diào)整誤差 | 120ppm | 0ppm | 0ppm | 58ppm |
參考輸出噪聲 | 17ppm | 2ppm | 5ppm | 10ppm |
DAC INL | 3906ppm | 61ppm | 122ppm | 488ppm |
DAC增益誤差 | 1953ppm | 0ppm | - | 1953ppm |
DAC 增益 TC | 70ppm | - | 500 | - |
數(shù)字轉(zhuǎn)換器噪聲 | - | 1ppm | - | 0ppm |
最壞情況錯誤 | 15596ppm | 184ppm | 1865ppm | 4462ppm |
和平方根誤差 | 7917ppm | 100ppm | 874ppm | 2580ppm |
目標(biāo)錯誤 | 15625ppm | 122ppm | 977ppm | 3906 頁/分鐘 |
最差情況保證金 | 29ppm | -62ppm | -888ppm | -556ppm |
平方根邊距 | 7708ppm | 22ppm | 103ppm | 1326ppm |
設(shè)計A:低成本,精度松散
設(shè)計A沒有校準(zhǔn)或調(diào)整計劃,因此MAX6102的4000ppm(或0.4%)初始誤差直接成為預(yù)算的一部分,5250ppm的基準(zhǔn)溫度系數(shù)(70°C×75ppm/°C)也是如此。MAX6102的典型輸出電壓溫度遲滯規(guī)格也直接用于誤差預(yù)算(請記住,如果我們的設(shè)計精度較低,這是一個典型值)。為了保證輸出電壓的長期穩(wěn)定性,我們假設(shè)MAX6102 1000小時規(guī)格(2 × 50ppm = 100ppm)的兩倍,這是相當(dāng)保守的,因為通常在前1000小時后會好得多。這里的保守估計至少部分抵消了用于溫度遲滯的典型規(guī)格。
為了計算負(fù)載調(diào)整率引起的基準(zhǔn)電壓變化,我們需要知道基準(zhǔn)電壓源向DAC基準(zhǔn)輸入供電的最壞情況范圍。在步驟2中,我們確定了MAX6102必須驅(qū)動的最大DAC基準(zhǔn)電流:140μA。最小電流接近0,因為當(dāng)DAC代碼值為5304時,MAX0基準(zhǔn)輸入實際上是開路(幾GΩ輸入阻抗)。這意味著MAX6102看到的總輸出電流變化為140μA,該值應(yīng)用于負(fù)載調(diào)整率計算:
負(fù)載調(diào)整誤差 | = 140μA × 0.9mV / mA = 126μV (最大值) |
= 106× 126μV / 2.5V = 50ppm (最大值) |
一般來說,最好保守一點,直接使用最大輸出電流進(jìn)行負(fù)載調(diào)整計算。一個例外情況是,如果您嘗試從設(shè)計中提取最后一位精度,并且最大和最小DAC基準(zhǔn)輸入電阻值都已明確指定。由于ΔI較小,這種方法導(dǎo)致較小的負(fù)載調(diào)整誤差裁判.
由于本例中電源是可變的,因此需要考慮輸入線路調(diào)整率對MAX6102基準(zhǔn)的影響。電源電壓范圍額定為 4.5V 至 5.5V。由此,可以進(jìn)行保守的基準(zhǔn)電壓線路調(diào)整率計算:
線路調(diào)整誤差 | = (5.5V - 4.5V) × 300μV / V = 300μV (最大值) |
= 106× 300μV / 2.5V = 120ppm (最大值) |
要考慮的最終基準(zhǔn)電壓相關(guān)誤差項是基準(zhǔn)輸出噪聲電壓的影響。方便的是,設(shè)計A的信號帶寬(10Hz至10kHz)與MAX6102噪聲電壓帶寬完全一致,因此寬帶噪聲電壓規(guī)格為30μV有效值直接使用(即不需要帶寬擴(kuò)展)。比較負(fù)載和線路調(diào)整率值(分別為126μV和300μV),我們可以看到噪聲不是該設(shè)計的主要貢獻(xiàn)因素。使用粗略近似值得到誤差分析的數(shù)字,我們可以假設(shè)有效峰值噪聲值為~42μV (30μV ×√2),對應(yīng)于17ppm (106× 42μV/2.5V),DAC 增益為 1。我們在這里有目的地試圖保持噪聲計算簡單;如果噪聲的相對誤差較大或設(shè)計很小,則可以執(zhí)行更詳細(xì)的分析。請記住,在判斷設(shè)計裕量時,噪聲被指定為典型值。
現(xiàn)在,我們將回顧影響碼范圍上限或接近碼范圍上限精度的相關(guān)MAX5304 DAC規(guī)格。DAC INL值為±4LSB(10位)。將其視為單側(cè)量,就像我們分析中的其他誤差項一樣,我們得出的值為 3906ppm (106× 4/1024)。同樣,DAC增益誤差指定為±2LSB,誤差為1953ppm (106× 2/1024)。最終要考慮的MAX5304 DAC規(guī)格是增益-誤差溫度系數(shù),其典型誤差為70ppm (70°C × 1ppm/°C)。MAX5304沒有指定DAC輸出噪聲,因此被忽略,在6位精度系統(tǒng)中很可能不會產(chǎn)生不良后果。
當(dāng)所有誤差源加在一起時,我們得到的最壞情況誤差為15596ppm,勉強(qiáng)滿足我們的目標(biāo)誤差規(guī)格15625ppm。當(dāng)面對這種邊緣情況時,我們可以合理化,我們可能永遠(yuǎn)不會看到如此嚴(yán)重的誤差,因為它假設(shè)大多數(shù)參數(shù)處于最壞情況。和方根 (RSS) 方法給出的誤差為 7917ppm,如果誤差不相關(guān),則誤差有效。一些錯誤源可能是相關(guān)的,所以真相可能介于這兩個數(shù)字之間。但無論采用哪種方法,設(shè)計A的要求都得到了滿足。
設(shè)計B:高精度和精密度
A級MAX6225的初始誤差為0.04%或400ppm,超過了設(shè)計B的全部122ppm誤差預(yù)算。由于該應(yīng)用具有增益校準(zhǔn)功能,因此假設(shè)校準(zhǔn)設(shè)備具有足夠的(~1μV)精度和調(diào)整電路具有足夠的精度,則幾乎所有基準(zhǔn)初始誤差都可以消除。溫度系數(shù)貢獻(xiàn)計算為70ppm(70°C×1ppm/°C),直接使用20ppm的典型溫度滯后值。還使用了30ppm的長期穩(wěn)定性規(guī)格,而不是更保守的數(shù)字,因為此應(yīng)用中的儀器具有初始老化和年度校準(zhǔn)。
應(yīng)用與設(shè)計A相同的假設(shè),我們發(fā)現(xiàn)設(shè)計B的基準(zhǔn)輸出電流變化為140μA(巧合的是,與設(shè)計A中的數(shù)字相同)。這會導(dǎo)致以下負(fù)載調(diào)整率誤差計算:
負(fù)載調(diào)整誤差 = 140μA × 6ppm / mA ~= 1ppm (最大值)
在本應(yīng)用中,電源被指定為恒定,因此假定線路調(diào)整率為0ppm。注意,即使電源不是恒定的,只要保持在規(guī)定的1.4V至95.5V范圍內(nèi),它也會<05ppm,因為MAX6325線路調(diào)節(jié)規(guī)格最大為7ppm/V。
由于設(shè)計B的帶寬規(guī)定為DC至1kHz,因此我們需要考慮1.5μVp-p低頻(1/f)噪聲和2.8μV噪聲。有效值寬帶噪聲的額定范圍分別為0.1Hz至10Hz和10Hz至1kHz。使用與設(shè)計A相同的粗有效值進(jìn)行峰值近似,并將兩個峰值噪聲項相加,我們得到參考輸出端([[2.0μV + 75.2μV)處的總噪聲估計值為8ppm有效值× √2]/2.5V] × 106).請注意,這與我們在DAC輸出端計算時獲得的值相同,因為公式將乘以1.638/1.638,將所有值重新調(diào)整為4.096V。值得一提的是,這里使用的峰值噪聲和方法相當(dāng)保守,但總誤差貢獻(xiàn)仍然相對較小。RSS方法可能更準(zhǔn)確,因為兩個噪聲源很可能不相關(guān),但與峰值方法相比,這個較小的值將更加“在噪聲中”(雙關(guān)語)。
設(shè)計B分析所剩無幾的就是包括DAC誤差項。A級MAX5170 DAC的INL額定值為±1LSB,為61ppm,正好是我們122位時2ppm誤差預(yù)算±14LSB的一半。DAC增益誤差指定為±8LSB最差情況,但通過前面提到的增益校準(zhǔn)可以完全消除該誤差。校準(zhǔn)工作原理如下:DAC設(shè)置為已知理想輸出電壓的數(shù)字代碼(例如,十進(jìn)制DAC代碼16380應(yīng)在輸出端精確產(chǎn)生4.095V)。然后調(diào)整基準(zhǔn)電壓,直到DAC輸出電壓達(dá)到該精確值,即使基準(zhǔn)電壓本身不是2.500V。MAX5170 DAC未列出增益溫度系數(shù),但增益誤差在工作溫度范圍內(nèi)有規(guī)定。由于增益誤差僅在一個溫度下校準(zhǔn),因此應(yīng)測試設(shè)計B,以確保增益不會隨溫度過度漂移。最后考慮的是MAX5170 DAC輸出噪聲,其典型峰值噪聲大致估計為1ppm ([106× √(1000Hz × π/2) × 80nV有效值/√赫茲 × √2]/4.096V)。
最后,最終的最壞情況精度為184ppm(3位時~±14LSB),這不太符合我們122ppm的精度目標(biāo),而RSS精度在100ppm時是可以接受的。基于這些數(shù)字,我們認(rèn)為該設(shè)計是成功的,因為它已經(jīng)說明了要點,并且通過幾個保守的假設(shè)接近目標(biāo)精度。在實際應(yīng)用中,這種設(shè)計可以按原樣接受,或者精度要求可以稍微放寬。或者,如果這種設(shè)計不可接受,可以使用更昂貴的參考。
設(shè)計 C:一次性校準(zhǔn),低漂移
A級MAX6162的初始誤差為0.1%,消耗了977ppm的整個設(shè)計C誤差預(yù)算。但是,與設(shè)計B一樣,這是(至少部分)校準(zhǔn)的。注意,未校準(zhǔn)的+4.096V MAX5154 DAC滿量程輸出電壓超過所需的+4.000V輸出范圍,即使只需要±1mV的精度,DAC的分辨率也為4mV。因此,可以對DAC輸入數(shù)字代碼進(jìn)行“數(shù)字校準(zhǔn)”,以消除基準(zhǔn)電壓源的一些初始誤差和DAC的增益誤差。
數(shù)字增益校準(zhǔn)最好通過一個例子來演示:假設(shè)DAC輸出電壓需要處于4.000V的滿量程值,但由于系統(tǒng)中的各種誤差,理想的十進(jìn)制DAC代碼4000導(dǎo)致測量輸出僅為3.997V。使用數(shù)字校準(zhǔn),將校正值添加到DAC代碼中以產(chǎn)生所需的結(jié)果。在本例中,當(dāng)需要4.000V的DAC輸出電壓時,使用校正后的DAC代碼4003而不是4000。該增益校準(zhǔn)在DAC代碼上線性縮放,因此對較低代碼的影響很小,對較高代碼的影響更大。
數(shù)字增益校準(zhǔn)精度受到DAC的12位分辨率的限制,因此我們所能期望的最佳值是~±1mV或244ppm(106× 1mV/4.096V)的誤差,在應(yīng)用校準(zhǔn)后。請注意,本例中精度以4.096V標(biāo)度計算,以保持一致性,但如果應(yīng)用需要,可以相對于+4.000V輸出范圍計算,誤差會略高。
如果本例中所需的輸出范圍為4.096V,則還有其他選項可用于始終將未校準(zhǔn)的DAC輸出電壓偏置至4.096V以上,以便采用本例中描述的數(shù)字增益校準(zhǔn)方案。此類選項包括:
使用輸出始終高于 4.096V 的可調(diào)基準(zhǔn) 當(dāng)考慮所有電路容差時
使用增益設(shè)置略高于所需值的力/檢測DAC
添加帶增益的輸出緩沖器
MAX6162基準(zhǔn)溫度系數(shù)誤差計算為625ppm (125°C × 5ppm/°C),直接使用80ppm的典型溫度遲滯值。長期穩(wěn)定性規(guī)格加倍至更保守的160ppm,因為沒有為應(yīng)用指定老化,并且在出廠后永遠(yuǎn)不會進(jìn)行校準(zhǔn)。
我們發(fā)現(xiàn)設(shè)計C的最差情況基準(zhǔn)輸出電流變化為293μA (2.5V/[14kΩ||14kΩ],請記住有兩個由基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動的DAC),直接用于負(fù)載調(diào)整率計算:
負(fù)載調(diào)整誤差 | = 293μA × 0.9mV / mA = 264μV (最大值) |
= 106× 264μV / 2.048V = 129ppm (最大值) |
由于基準(zhǔn)負(fù)載調(diào)整率與基準(zhǔn)輸出電壓成正比,因此可以在基準(zhǔn)電壓 (264μV/2.048V) 或 DAC 輸出 ((2 × 264μV)/(2 × 2.048V)下計算。
在此應(yīng)用中,電源是恒定的,因此假定線路調(diào)整率為0ppm。當(dāng)設(shè)計C的帶寬指定為0.1Hz至10Hz時,我們使用22μVp-p低頻(1/f)噪聲規(guī)格(峰值)的一半,以達(dá)到基準(zhǔn)輸出(56× (22μV/2)/2.048V))。如前所述,如果以DAC輸出為基準(zhǔn),我們會得到相同的5ppm答案,因為方程只是乘以2.0/2.0。
繼續(xù)討論MAX5154 DAC誤差,A級INL為±0.5LSB,在122位標(biāo)度上為12ppm。DAC增益誤差為±3LSB(244ppm),但忽略了它,因為它已經(jīng)在此步驟前面提到的數(shù)字基準(zhǔn)電壓源/DAC增益校準(zhǔn)中考慮在內(nèi),我們不想重復(fù)計算。MAX5154增益誤差溫度系數(shù)的典型值為4ppm/°C,總增益為500ppm (125°C × 4ppm/°C)。MAX5154沒有指定DAC輸出噪聲,因此忽略不計。我們認(rèn)識到這可能會帶來問題,但我們在設(shè)計B方面的經(jīng)驗表明,DAC噪聲通常是總誤差的一個相對較小的貢獻(xiàn)因素??梢赃M(jìn)行測量以確認(rèn)此假設(shè)。
設(shè)計C的最壞情況誤差計算為1865ppm,RSS誤差為874ppm。當(dāng)目標(biāo)誤差規(guī)格為977ppm時,目前的設(shè)計充其量只能勉強(qiáng)接受,特別是考慮到使用了某些典型值,并且沒有考慮DAC輸出噪聲。設(shè)計C的細(xì)節(jié)不會在這里重復(fù),因為要點已經(jīng)涵蓋了。但是,一些改進(jìn)選項如下:
使用MAX6191代替MAX6162,因為它具有更好的負(fù)載調(diào)節(jié)(0.55μV/μA對0.9mV/mA)、溫度遲滯(75ppm對80ppm)和長期穩(wěn)定性(50ppm對80ppm)。最終結(jié)果將是1750ppm的最壞情況誤差和858ppm的RSS誤差,分別是115ppm和16ppm的凈變化。這是一個輕微的改進(jìn),但可能還不夠。
重新檢查整體系統(tǒng)精度規(guī)格,以確定是否可以放寬任何參數(shù)。就精度與成本而言,現(xiàn)有設(shè)計可能是最佳選擇。
如果不需要整個擴(kuò)展范圍,請減小溫度范圍。例如,如果范圍可以從-40°C至+85°C降至-10°C至+75°C,則最差情況誤差降至1505ppm,RSS誤差變?yōu)?48ppm。這是因為大部分誤差預(yù)算由基準(zhǔn)溫度系數(shù)(625ppm)和DAC增益誤差溫度系數(shù)(500ppm)消耗。雖然這些誤差項中只有一個低于977ppm的目標(biāo),但與MAX5154/MAX6162的原始設(shè)計相比,舒適度大大提高。
如果提供8V或更高的電源,可將MAX6241 4.096V基準(zhǔn)和MAX5156 DAC(MAX5154的力/檢測版本)設(shè)置為單位增益。這種組合稍微昂貴一些,但它產(chǎn)生的最壞情況誤差約為 956ppm,RSS 誤差為 576ppm,兩者都低于 977ppm 的總誤差目標(biāo)。
考慮其他典型增益溫度系數(shù)低至1ppm/°C的DAC。
設(shè)計 D:低電壓、電池供電、中等精度
設(shè)計D沒有校準(zhǔn)或調(diào)整計劃,因此A級MAX6190初始誤差為1600ppm (106×2mV/1.25V)直接用于誤差預(yù)算,溫度系數(shù)誤差為150ppm(30°C×5ppm/°C)。75ppm的溫度遲滯也直接使用,但使用這種典型規(guī)格的風(fēng)險至少部分被降低的工作溫度范圍(15°C至45°C)所抵消。同樣,作為漂移的保守估計,1000小時長期穩(wěn)定性加倍至100ppm,因為該應(yīng)用中沒有老化。
負(fù)載調(diào)整誤差再次根據(jù)假設(shè)的最差情況MAX5176 DAC輸入電流69μA計算得出:
負(fù)載調(diào)整誤差 | = 69μA × 0.5μV / μA = 34.5μV (最大值) |
= 106× 34.5μV / 1.25V = 28ppm (最大值) |
本設(shè)計中的電源在2.7V至3.6V之間變化,因此分析中必須包括MAX6190的線路調(diào)節(jié)規(guī)格為80μV/V (最大值):
線路調(diào)整誤差 | = (3.6V - 2.7V) × 80μV / V = 72μV (最大值) |
= 106× 72μV / 1.25V = 58ppm (最大值) |
與設(shè)計C一樣,設(shè)計D的帶寬指定為0.1Hz至10Hz,因此我們使用25μVp-p低頻(1/f)噪聲規(guī)格的一半來達(dá)到基準(zhǔn)輸出端10ppm的峰值噪聲貢獻(xiàn)(106× [12.5μV/1.25V])。我們期望DAC輸出端具有相同的10ppm基準(zhǔn)電壓源感應(yīng)噪聲項,因為基準(zhǔn)電壓和噪聲的DAC增益相同。
現(xiàn)在關(guān)注MAX5176 DAC誤差項,A級INL為±2LSB,在488位標(biāo)度上為12ppm。在8kΩ負(fù)載下,DAC最差情況增益誤差為+/-5LSB,在1953位時轉(zhuǎn)換為12ppm。與設(shè)計B中的MAX5170一樣,MAX5176沒有規(guī)定增益誤差溫度系數(shù)。這在設(shè)計D中不是問題,因為它不是在一個溫度下校準(zhǔn)的低漂移設(shè)計,并且在整個工作溫度范圍內(nèi)指定了最大DAC增益誤差。最后一個考慮因素是MAX5176的DAC輸出噪聲,其估計的典型峰值可以忽略不計([106× (√10Hz × π/2) × 80nV有效值/√Hz × √2]/2.048V) ~ = 0.22ppm)。
與設(shè)計B和C一樣,最壞情況下的誤差為4462ppm,超過了3906ppm的目標(biāo)誤差,而2580ppm的RSS誤差遠(yuǎn)低于目標(biāo)誤差。基于這些數(shù)字,設(shè)計D被認(rèn)為是成功的,因為它從RSS的角度輕松滿足了要求,并展示了重要的設(shè)計概念。如果需要進(jìn)一步改進(jìn),應(yīng)首先考慮替代DAC,因為MAX6190是目前最好的低功耗電壓基準(zhǔn),輸出低于1.3V(由VDD - DAC基準(zhǔn)輸入的1.4V限制引起)和低靜態(tài)電流(35μA)。
DAC 電壓參考設(shè)計摘要
本文演示了DAC基準(zhǔn)電壓源選擇的設(shè)計過程,包括以下步驟:
第 1 步。電壓范圍和基準(zhǔn)電壓確定:電源電壓和DAC輸出電壓范圍用于確定可行的基準(zhǔn)電壓和DAC增益選項。
第 2 步。初始基準(zhǔn)電壓器件選擇標(biāo)準(zhǔn):考慮候選基準(zhǔn)電壓源,重點關(guān)注基準(zhǔn)電壓(在步驟1中確定)、初始精度、溫度系數(shù)和基準(zhǔn)輸出電流。從這些候選設(shè)備中,選擇了初始設(shè)備。
第 3 步。最終規(guī)格審查和誤差預(yù)算分析:使用誤差預(yù)算方法評估所選的基準(zhǔn)電壓源和DAC候選電壓源,以確定它們是否滿足設(shè)計的整體精度要求。為了滿足設(shè)計目標(biāo),可能需要在步驟 2 和 3 之間進(jìn)行迭代。
遵循上述設(shè)計程序時,可以方便地進(jìn)行以ppm為單位的誤差分析,并了解它與其他系統(tǒng)精度和誤差測量之間的關(guān)系(表6)。
表 6.精度和誤差范圍
± LSB Accuracy (Bits) | ±1LSB Error (ppm) | ±1LSB Error (%) | 16-Bit Error (LSB) | 14-Bit Error (LSB) | 12-Bit Error (LSB) | 10-Bit Error (LSB) | 8-Bit Error (LSB) | 6-Bit Error (LSB) |
16 | 15 | 0.0015 | 1 | 0.25 | <0.25 | <0.25 | <0.25 | <0.25 |
15 | 31 | 0.0031 | 2 | 0.5 | <0.25 | <0.25 | <0.25 | <0.25 |
14 | 61 | 0.0061 | 4 | 1 | 0.25 | <0.25 | <0.25 | <0.25 |
13 | 122 | 0.0122 | 8 | 2 | 0.5 | <0.25 | <0.25 | <0.25 |
12 | 244 | 0.0244 | 16 | 4 | 1 | 0.25 | <0.25 | <0.25 |
11 | 488 | 0.0488 | 32 | 8 | 2 | 0.5 | <0.25 | <0.25 |
10 | 977 | 0.0977 | 64 | 16 | 4 | 1 | 0.25 | <0.25 |
9 | 1953 | 0.1953 | 128 | 32 | 8 | 2 | 0.5 | <0.25 |
8 | 3906 | 0.3906 | 256 | 64 | 16 | 4 | 1 | 0.25 |
7 | 7812 | 0.7812 | 512 | 128 | 32 | 8 | 2 | 0.5 |
6 | 15625 | 1.5625 | 1024 | 256 | 64 | 16 | 4 | 1 |
5 | 31250 | 3.1250 | 2048 | 512 | 128 | 32 | 8 | 2 |
4 | 62500 | 6.2500 | 4096 | 1024 | 256 | 64 | 16 | 4 |
下表顯示了現(xiàn)有的Maxim三端串聯(lián)基準(zhǔn)電壓源,以及設(shè)計過程中的規(guī)格。導(dǎo)致誤差的規(guī)格以ppm表示,以簡化計算,并允許在基準(zhǔn)電壓源之間進(jìn)行同類比較。表3顯示了1V及以下(2.1V、25.2V、048.2V、5.3V和0.7V)的基準(zhǔn)電壓源,表3中的可調(diào)基準(zhǔn)電壓源包括4V以上基準(zhǔn)(096.4V、5.5V、10V、8V)。為方便起見,兩個表中的器件都按基準(zhǔn)電壓分組在一起,并大致按價格上漲的順序列出。
表 7.Maxim系列基準(zhǔn)電壓源和主要規(guī)格 (VREF <= 3.0V)
Voltage Refer- ences |
VOUT(V) | Max Initial Accuracy (ppm) | Max Tempco (ppm/°C) | Typ Temp Hysteresis (ppm) | Typ Long-Term Stability (ppm) | Max Sourcing Load Reg (ppm/μA) | Max Line Reg (ppm/V) | Typ LF/HF Peak Output Noise (ppm) |
MAX6120 | 1.20 | 10,000 | 100 | 不適用 | 不適用 | 0.83 | 25 | 4/167 |
MAX6520 | 1.20 | 10,000 | 50 | 不適用 | 不適用 | 0.83 | 25 | 4/167 |
MAX6001 | 1.25 | 10,000 | 100 | 130 | 50 | 0.64 | 96 | 10/74 |
MAX6101 | 1.25 | 4000 | 75 | 130 | 50 | 0.72 | 72 | 5/17 |
MAX6012 | 1.25 | 3200-4800 | 15-30 | 130 | 50 | 0.40 | 64 | 10/74 |
MAX6190 | 1.25 | 1600-4800 | 5-25 | 75 | 50 | 0.4 | 64 | 10/74 |
MAX6061 | 1.25 | 4000-5600 | 20-30 | 130 | 62 | 0.72 | 200 | 5/17 |
MAX6161 | 1.25 | 1600-3200 | 5-10 | 80 | 80 | 0.72 | 48 | 8/17 |
MAX6021 | 2.048 | 2400- 3900 | 15-30 | 130 | 50 | 0.27 | 49 | 10/73 |
MAX6191 | 2.048 | 1000-4800 | 5-25 | 75 | 50 | 0.27 | 49 | 10/73 |
MAX6062 | 2.048 | 2400-3900 | 20-30 | 130 | 62 | 0.44 | 63 | 5/17 |
MAX6162 | 2.048 | 1000-2400 | 5-10 | 80 | 80 | 0.44 | 63 | 5/15 |
MAX6002 | 2.5 | 10,000 | 100 | 130 | 50 | 0.36 | 80 | 12/71 |
MAX6102 | 2.5 | 4000 | 75 | 130 | 50 | 0.36 | 120 | 5/17 |
MAX6125 | 2.5 | 10,000 | 50 | 不適用 | 不適用 | 0.40 | 20 | 5/140 |
MAX6025 | 2.5 | 2000-4000 | 15-30 | 130 | 50 | 0.24 | 56 | 12/71 |
MAX6192 | 2.5 | 800-4000 | 5-25 | 75 | 50 | 0.24 | 56 | 12/71 |
MAX6066 | 2.5 | 2000-4000 | 20-30 | 130 | 62 | 0.36 | 88 | 5/17 |
MAX873 | 2.5 | 600-5600 | 7-20 | 不適用 | 20 | 0.02 | 6 | 3/8 |
MAX6166 | 2.5 | 800-2000 | 5-10 | 80 | 80 | 0.36 | 88 | 5/17 |
MAX872 | 2.5 | 2000 | 40 | 不適用 | 不適用 | 0.24 | 120 | 12/不適用/秒 |
MAX6225 | 2.5 | 400-1200 | 2-8 | 20 | 20 | 0.015 | 5-45 | 0.3/0.7 |
MX580 | 2.5 | 4000-30000 | 10-85 | 不適用 | 10 | 0.4 | 16-94 | 12/不適用/秒 |
MAX6325 | 2.5 | 400 | 1-2.5 | 20 | 30 | 0.015 | 5-45 | 0.3/0.7 |
MAX6003 | 3.0 | 10,000 | 100 | 130 | 50 | 0.30 | 73 | 13/71 |
MAX6103 | 3.0 | 4000 | 75 | 130 | 50 | 0.30 | 133 | 6/19 |
MAX6030 | 3.0 | 2000-4000 | 15-30 | 130 | 50 | 0.2 | 50 | 13/71 |
MAX6193 | 3.0 | 700-3300 | 5-25 | 75 | 50 | 0.20 | 50 | 13/71 |
MAX6063 | 3.0 | 2000-4000 | 20-30 | 130 | 62 | 0.3 | 100 | 6/19 |
MAX6163 | 3.0 | 700-1700 | 5-10 | 80 | 80 | 0.30 | 100 | 6/19 |
LF = 低頻
HF = 高頻
N/S = 未指定
表 8.Maxim系列基準(zhǔn)電壓源和主要規(guī)格(VREF > 3.0V和調(diào)整)
Voltage Refer- ences |
VOUT (V) | Max Initial Accuracy (ppm) | Max Tempco (ppm/°C) | Typ Temp Hysteresis (ppm) | Typ Long-Term Stability (ppm) | Max Sourcing Load Reg (ppm/μA) | Max Line Reg (ppm/V) | Typ LF/ HF Peak Output Noise (ppm) |
MAX6004 | 4.096 | 10,000 | 100 | 130 | 50 | 0.24 | 59 | 12/69 |
MAX6104 | 4.096 | 4000 | 75 | 130 | 50 | 0.22 | 105 | 6/17 |
MAX6141 | 4.096 | 10,700 | 50 | 不適用 | 不適用 | 0.39 | 12 | 3/85 |
MAX6041 | 4.096 | 2000-3900 | 15-30 | 130 | 50 | 0.17 | 39 | 12/69 |
MAX6198 | 4.096 | 500-2400 | 5-25 | 75 | 50 | 0.17 | 39 | 12/69 |
MAX6064 | 4.096 | 2000-3900 | 20-30 | 130 | 62 | 0.22 | 73 | 6/17 |
MAX6164 | 4.096 | 500-1200 | 5-10 | 80 | 80 | 0.22 | 73 | 6/17 |
MAX874 | 4.096 | 2000 | 40 | 不適用 | 不適用 | 0.24 | 18 | 11/不適用/秒 |
MAX6241 | 4.096 | 244-1000 | 2-8 | 20 | 20 | 0.009 | 5-45 | 0.3/0.7 |
MAX6341 | 4.096 | 244 | 1-2.5 | 20 | 30 | 0.009 | 5-45 | 0.3/0.7 |
MAX6145 | 4.5 | 10,000 | 50 | 不適用 | 不適用 | 0.40 | 11 | 3/89 |
MAX6045 | 4.5 | 2000-4000 | 15-30 | 130 | 50 | 0.18 | 36 | 12/68 |
MAX6194 | 4.5 | 400-2200 | 5-25 | 75 | 50 | 0.18 | 36 | 12/68 |
MAX6067 | 4.5 | 2000-4000 | 20-30 | 130 | 62 | 0.20 | 100 | 6/17 |
MAX6167 | 4.5 | 400-1100 | 5-10 | 80 | 80 | 0.20 | 100 | 6/17 |
MAX6005 | 5.0 | 1000 | 100 | 130 | 50 | 0.20 | 48 | 12/68 |
MAX6105 | 5.0 | 4000 | 75 | 130 | 50 | 0.18 | 110 | 6/17 |
編號02 | 5.0 | 3000-10000 | 8.5-250 | 不適用 | 不適用 | 0.10-0.40 | 100-400 | 2/不適用/秒 |
MAX6150 | 5.0 | 10,000 | 50 | 不適用 | 不適用 | 0.40 | 10 | 4/90 |
MAX6050 | 5.0 | 2000-4000 | 15-30 | 130 | 50 | 0.17 | 32 | 12/68 |
MAX6195 | 5.0 | 400-2200 | 5-25 | 75 | 50 | 0.17 | 32 | 12/68 |
MAX6065 | 5.0 | 2000-4000 | 20-30 | 130 | 62 | 0.18 | 80 | 6/17 |
MAX875 | 5.0 | 400-2400 | 7-20 | 不適用 | 20 | 0.02 | 6 | 3/8 |
MAX6165 | 5.0 | 400-1000 | 5-10 | 80 | 80 | 0.18 | 80 | 6/17 |
MAX6250 | 5.0 | 200-1000 | 2-8 | 20 | 20 | 0.009 | 5-45 | 0.3/0.7 |
MAX675 | 5.0 | 1400 | 12-20 | 不適用 | 不適用 | 0.02 | 100 | 1.5/不適用/秒 |
MAX6350 | 5.0 | 200 | 1-2.5 | 20 | 30 | 0.009 | 5-45 | 0.3/0.7 |
編號01 | 10.0 | 3000-10000 | 8.5-65 | 不適用 | 不適用 | 0.08-0.15 | 100-150 | 2/不適用/秒 |
MAX876 | 10.0 | 300-2500 | 7-20 | 不適用 | 20 | 0.02 | 6 | 3/8 |
MX581 | 10.0 | 500-3000 | 10-30 | 不適用 | 25 | 0.05 | 20-50 | 2.5/不適用/秒 |
MAX674 | 10.0 | 1500 | 12-20 | 不適用 | 不適用 | 0.02 | 100 | 1.5/不適用/秒 |
MAX6160 | 調(diào)整后 | 10,000 | 100 | 不適用 | 不適用 | 0.40 | 20 | 3/100 |
MX584 | 2.5-10 | 1000-3000 | 15-30 | 不適用 | 25 | 0.03 典型值 | 20-50 | 10/不適用/秒 |
LF = 低頻
HF = 高頻
N/S = 未指定
一些基準(zhǔn)電壓源可作為具有不同輸出基準(zhǔn)電壓的一系列器件提供。需要注意的是,在給定的系列中,對于輸出電壓增加的器件,數(shù)據(jù)手冊中的某些規(guī)格可能會變得更糟。但是,當(dāng)這些規(guī)格相對于基準(zhǔn)電壓來看時,它們可以保持恒定,甚至隨著電壓的增加而改善。一個例子是輸出噪聲電壓,由于放大~1.25V帶隙電壓需要更高的內(nèi)部基準(zhǔn)增益,因此輸出噪聲電壓通常隨輸出電壓的增加而增加。雖然噪聲電壓較高,但基準(zhǔn)電壓也成比例較高;因此,相對噪聲測量值(例如上表中的ppm結(jié)果)大致恒定。另一個例子是負(fù)載和線路調(diào)整率規(guī)格(分別為μV/μA和μV/V),這些規(guī)格的絕對值通常會隨著輸出電壓的增加而惡化。當(dāng)相對于基準(zhǔn)電壓(以ppm/μA和ppm/V為單位)時,這些規(guī)格通常保持不變,或者隨著輸出電壓的增加而實際改善。
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