(Bild: Analog Devices)
Eckdaten
Der Autor beschreibt in seinem Artikel eine programmierbare Spannungsquelle, bestehend aus Schaltkreisen von ADI und LT. Mit einer Auflösung von 1 ppm mit 1 ppm INL und einer Langzeitdrift von weniger als 1 ppm FSR ermöglicht diese Spannungsquelle eine sehr gute Bildqualität mit hohem Kontrast und hoher Auflösung, wie sie zum Beispiel Radiologen benötigen.
Um eine programmierbare Spannungsquelle aufzubauen, die eine Auflösung von 1 ppm mit 1 ppm INL liefert und eine Langzeitdrift von weniger als 1 ppm FSR bietet, kann der D/A-Wandler AD5791 zusammen mit der Referenz LTZ1000, den Operationsverstärkern ADA4077 und AD8675/AD8676 verwendet werden. Durch diese leistungsfähige Kombination erhalten zum Beispiel Radiologen eine sehr gute Bildqualität mit hohem Kontrast und hoher Auflösung. So können sie kleinste anatomische Strukturen erkennen. Für ein MRT (Magnet Resonanz Tomograf) bedeutet dies bessere Bilder von Organen und Weichteilen. Dies ist nur eine von vielen Applikationen dieser programmierbaren Spannungsquellen.
Weitere Applikationen, die eine Genauigkeit von 1 ppm benötigen sind die wissenschaftliche, die medizinische und die Weltraummesstechnik (medizinische bildgebende Systeme, Laserstrahlpositionierer und Vibrationssystem) sowie Test- und Messsysteme (, Massenspektrometrie, Source Measure Units (SMU), Datenerfassung/-Analyse) und die Industrieautomation (Halbleiterherstellung, Prozessautomation, Stromversorgungssteuerung, Robotik).
In Test- und Messsystemen verbessern die 1-ppm-Auflösung und die hohe Genauigkeit die Gesamtgenauigkeit der Tester und die Granularität. Das Ergebnis ist eine feinere Kontrolle und Steuerung von externen Versorgungsquellen und Nano-Aktuatoren. In der Industrieautomation verbessert dies die Präzision, die erforderlich ist, um einen Aktuator im Nanobereich zu bewegen und zu positionieren.
Ungepufferter 20-bit-D/A-Wandler
Der AD5791 ist ein ungepufferter 20-bit-D/A-Wandler mit Spannungsausgang und einer relativen Genauigkeit von 1 ppm (1 INL) sowie 1 LSB DNL (garantiert monoton). 0,05 ppm/°C beträgt die Temperaturdrift, das Rauschen 0,1 ppm p-p und die Langzeitstabilität ist besser 1 ppm. Der AD5791 enthält eine genaue R-2R-Architektur in einer angepassten Dünnschichtwiderstands-Technologie. Er arbeitet an einer bipolaren Versorgung bis 33 V zusammen mit einer positiven Referenz im Bereich von 5 V bis VDD -2,5 V und einer negativen Referenz im Bereich von VSS 2,5 bis 0 V. Vielseitig verwendbar ist das serielle 3-Draht-Interface des Wandlers, das mit Taktraten bis 35 MHz arbeitet und kompatibel ist mit den Standards SPI, QSPI, Microwire, sowie den DSP-Interfacestandards. Angeboten wird der D/A-Wandler in einem 20-poligen TSSOP-Gehäuse.
Die temperaturgesteuerte Referenz LTZ1000 liefert am Ausgang 7,2 V, ein Rauschen von nur 1,2 µVp-p, eine Langzeitstabilität von 2 μV/√kHr sowie eine Temperaturdrift von 0,05 ppm/°C. Sie enthält eine Buried-Zener-Referenz, einen Heizwiderstand zur Temperaturstabilisation und einen Temperaturfühlertransistor. Zur Einstellung des Betriebsstroms und zur Temperaturstabilisierung der Referenz werden externe Komponenten eingesetzt, was eine hohe Flexibilität, gute Langzeitstabilität sowie niedriges Rauschen ermöglicht.
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Der ADA4077 ist ein rauscharmer Operationsverstärker mit geringer Offsetspannung und geringem Eingangs-Biasstrom. Anders als bei JFET-Verstärkern sind die geringen Bias- und Offsetströme relativ unempfindlich gegenüber der Umgebungstemperatur, das reicht bis 125 °C. Die Ausgänge sind ohne externe Kompensation stabil, auch bei kapazitiven Lasten von mehr als 1000 pF.
AD8675/AD8676 sind präzise Rail-to-Rail-Operationsverstärker mit geringem Offset und Spannungsrauschen sowie geringer Drift in Kombination mit niedrigen Eingangsbiasströmen über den gesamten Betriebstemperaturbereich.
Geringes Rauschen
Das Niederfrequenzrauschen muss so gering wie möglich gehalten werden, um einen Einfluss auf das DC-Verhalten der Schaltung zu vermeiden. Bei einer Bandbreite von 0,1 bis 10 Hz generiert der AD5791 ein Rauschen von etwa 0,6 μVp-p, jeder ADA4077 etwa 0,25 μVp-p, der AD8675 0,1 μVp-p und der LTZ1000 1,2 μVp-p. Die Widerstände wurden so gewählt, dass ihr Johnson-Rauschen den Gesamtrauschpegel nicht verschlechtert.
Konfiguration der Referenzpuffer AD5791
Die Referenzpuffer zur Ansteuerung der REFP- und REFN-Pins des AD5791 müssen für Eins-Verstärkung konfiguriert werden. Jeder zusätzliche Strom durch den Widerstand zur Verstärkungseinstellung an den Referenz-Fühlerpins verringert die Genauigkeit des .
INL-Sensitivität des AD5791
Der INL des AD5791 ist etwas empfindlich für den Eingangs-Biasstrom des Verstärkers, der als Referenzpuffer verwendet wird. Aus diesem Grund wurde ein Verstärker mit geringem Eingangs-Biasstrom gewählt:
Temperaturdrift
Für einen geringen Temperaturkoeffizienten TC des gesamten Systems müssen die einzelnen Komponenten eine geringe Temperaturdrift aufweisen. Der AD5791 hat einen TC von 0,05 ppm FSR/°C, der LTZ1000 bietet einen TC von 0,05 ppm/°C. ADA4077 und AD8675 tragen mit 0,005 ppm FSR/°C und 0,01ppm FSR/°C dazu bei.
Langzeitdrift
Die Langzeitdrift ist ein weiterer wichtiger Parameter, der die Genauigkeit des Systems begrenzen kann. So ist die Langzeitstabilität des AD5791 typisch besser als 0,1 ppm/1000 Stunden und 125 °C. Eine Langzeitstabilität in der Größenordnung von 1 μV pro Monat kann mit dem LTZ1000 erzielt werden.
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Der INL-Fehler wurde bei Raumtemperatur im Labor mittels Variation des Eingangscodes des AD5791 von zero-scale (Nullaussteuerung) auf full-scale (Vollausschlag) mit einem Codeschritt von 5 gemessen. Dabei wurde die Spannung am Ausgang des Ausgangspuffers (AD8675) für jeden Code mit einem 8,5 digit DVM aufgenommen. Die Messergebnisse lagen innerhalb der ±1-LSB-Spezifikation.
Das bei einem Mittelwert gemessene Rauschen betrug 1,1 μVp-p, bei Vollausschlag 3,7 μVp-p. Der Rauschbeitrag von jedem Spannungsreferenzpfad wird vom verringert, wenn ein Code vom Mittelwert gewählt wird — deshalb ergibt sich ein geringeres Rauschen, wenn der Code für den Mittelwert gewählt wird.
Langzeitdrift bei 25 °C
Die Langzeitdrift des Systems wurde bei 25 °C gemessen. Der AD5791 wurde auf 5 V (3/4 scale) programmiert und die Ausgangsspannung wurde über eine Periode von 1000 Stunden alle 30 Minuten gemessen. Dabei wurden Driftwerte kleiner 1 ppm FSR beobachtet.
Zusätzlich zu seinem einfachen Einsatz bietet der AD5791 eine Genauigkeit von 1 ppm. Für die Erreichung der Genauigkeits-Spezifikationen des AD5791 ist jedoch die korrekte Auswahl der Komponenten und der Spannungsreferenz kritisch. Geringes Rauschen, geringe Temperaturdrift, geringe Langzeitdrift und die hohe Präzision von LTZ1000, ADA4077, AD8676 und dem AD8675 verbessern Systempräzision und Wiederholgenauigkeit über Temperatur und Zeit.
Michael Lynch
(ah)
