引言
近來，高精度、儀表等級的數模轉換技術取得了明顯的進步。10年以前，12位數模轉換器(DAC)就被認為是優質器件。如今，16位DAC已經面市，而且在系統設計中的應用也越來越普遍。這些16位DAC是真正的精密型器件，其線性誤差小于1LSB，溫度漂移低于1ppm/℃。但是，有些DAC應用還需要更高的性能。自動測試設備、儀器、校準儀表、激光修整器、醫療電子產品以及其它應用常常需要16位以上的DAC準確度。人們已經生產出了電路組件形式的18位DAC，不過它們價格昂貴，并且需要進行經常性的校準。準確度達20位甚至23位以上(0.1ppm/℃!)的DAC由手動開關式開爾文-華萊(Kelvin-Varley)分壓器來提供。這些器件雖然具有令人驚嘆的準確度，但缺點是體積龐大、速度緩慢且價格極為昂貴。其應用領域一般局限于標準實驗室。一項有益的開發將是一款易于構造且無需頻繁校準的實用型20位(1ppm) DAC。
20位DAC架構
圖1描繪了一款20位(1ppm)DAC的架構。該電路基于一款刻度和零點漂移低于0.02ppm/℃的真正1ppm模數轉換器的面市。這款型號為LTC?400的器件在數字校正環路被用作一個反饋組件，以實現20位DAC。
圖1: 基于環路的20位DAC概念圖。數字比較允許模數轉換對DAC誤差進行校正。LTC2400 模數轉換器的低不確定性特征有望實現1ppm的輸出準確度
實際上，“從屬”20位DAC的輸出由“主控”LTC2400 模數轉換器來監視，后者將數字信息饋送至一個代碼比較器。該代碼比較器負責區分用戶輸入字和LTC2400的輸出，并向從屬DAC提供一個校正代碼。環路以這種方式把從屬DAC的漂移和非線性連續校正至一個由模數轉換器和VREF所決定的準確度。對DAC的唯一要求是其應具備單調性。環路中的其它組件均無需穩定。
該環路具有諸多合乎要求的屬性。如前文所述，準確度限值是由模數轉換器及其基準來設定的。其它組件均無需穩定。此外，環路特性還對低階位變址和抖動進行了平均處理，從而消除了環路所固有的小信號不穩定性。最后，可采用傳統的遠端采樣或通過把模數轉換器置于負載側來實現數字化采樣。該模數轉換器采用SO-8封裝，且外部組件極少，因而使得這種數字化開爾文(Kelvin)檢測電路成為一種實用型方案。
電路細節
圖2為該1ppm DAC的詳細原理圖。從屬DAC由兩個DAC組成。代碼比較器輸出的較高16位被饋送至一個16位DAC(“MSB DAC”)，而較低的位則被一個單獨的DAC (“LSB DAC”)所轉換。雖然向兩個DAC提供了總共32位，但有8位是重疊的，因而可在所有的條件下保證環路捕獲特性。組合式DAC的合成24位分辨率提供了低于第20位的4位變址范圍，從而確保了一個1ppm精度等級的穩定LSB。A1和A2把DAC的輸出電流變換為電壓，并在A3上相加。對A3的放大系數進行了適當的設置，以使校正環路能夠始終捕獲并校正零標度和全標度誤差的任何組合。A3的輸出(即電路輸出)被饋送至LTC2400模數轉換器。LT?010提供緩沖處理以驅動負載和電纜。由代碼比較器來區分該模數轉換器的數字輸出和輸入字，并產生一個校正代碼。該校正代碼被加至MSB和LSB DAC，從而對反饋環路進行補償。環路的完整性由模數轉換器和電壓基準誤差來決定。采用5V供電電源的模數轉換器上的電阻器和二極管可保護其免遭意外A3輸出(上電、瞬變、掉電等)的損壞。A4是一個基準負輸出轉換器，而A5則負責向兩個DAC提供一個干凈的接地電位。
圖2 1ppm DAC的細節
線性度考慮
模數線性度決定了DAC的總體線性度。模數轉換器具有約 ±2ppm的非線性度。在容許該誤差的應用中，可將其忽略不計。如果需要1ppm的線性度，則可通過利用軟件方法對殘余的線性度誤差進行校正來實現。
DC性能特征
圖3 線性度曲線顯示了在所有代碼條件下誤差均不超過1ppm
圖3描繪了線性度與輸出代碼的關系曲線。數據顯示：在所有的代碼條件下線性度誤差均不超過1ppm。由圖4可見，在0.1Hz至10Hz通帶中測得的輸出噪聲約為0.2LSB。設備的局限性 (它設定了一個約0.2mV 的噪聲層) 對該測量結果產生了輕微的負面影響。
圖4 輸出噪聲低于1uV
動態性能
模數的轉換速率與環路的采樣數據特性和低速放大器組合起來，規定了一個較低的DAC響應。圖5的轉換響應需要大約150ms的時間。
圖5 DAC輸出全標度轉換特性
如圖6所示，至1ppm(±5mV)以內的全標度DAC穩定時間約需1400ms。一個500mV的較小階躍(圖7)僅需100ms的時間便可穩定至1ppm以內。
圖6 在一個全標度階躍后的高分辨率穩定情況，穩定時間是1400ms至1ppm以內
圖7 對于一個500uV的轉換，小階躍僅需100ms的時間便可穩定至1ppm以內
結語
表1給出了1ppm DAC規格的概要。這些規格應被視作指導準則，因為不同的選項和顯著的偏差將對性能產生影響。請參閱相應的附錄，以了解設計的詳細說明書和折衷方案。