采用ADP5070的低噪聲、雙電源解決方案為單電源系統(tǒng)中的精密雙極性DAC AD5761R供電

　　簡介

　　本應(yīng)用筆記描述一個(gè)集ADP5070 DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器、ADP7142和ADP7182互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器、LC濾波器及電阻分壓器于一體的電路，用以從5 V單電壓源產(chǎn)生雙電源。AD5761R是一款雙極性數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，需要雙電源以提供雙極性輸出電壓范圍。本應(yīng)用筆記詳細(xì)說明了如何配置該電路以使其適合只有一個(gè)5 V單電源可用的儀表應(yīng)用。

　　作為雙極性DAC的單極性5 V電源解決方案，ADP5070、ADP7142、ADP7182和/或LC濾波器的組合輸出單極性和雙極性電壓范圍，其噪聲性能與由臺(tái)式電源供電的DAC相似。

　　本應(yīng)用筆記包括的電源頻譜分析、電壓輸出噪聲和交流性能數(shù)據(jù)證明了這種方案性能出色。

　　當(dāng)用戶對系統(tǒng)執(zhí)行不同的測試時(shí)，本文提出的電源配置會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。例如，當(dāng)使用DAC的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源時(shí)，為了降低10 Hz到10 kHz范圍的頻譜噪聲，包含ADP5070電源和附加LC濾波器的配置是最佳的。另一方面，針對使用外部基準(zhǔn)電壓源的頻譜分析，外部電源可提供最佳結(jié)果。對于更高的頻率帶寬(10 kHz到10 MHz)，給ADP5070電源增加CMOS LDO線性穩(wěn)壓器可提供最佳頻譜噪聲性能。LC濾波器和LDO配置產(chǎn)生的1.2 MHz開關(guān)雜散電平與外部電源配置相當(dāng)。

　　積分噪聲測量確定解決方案的噪聲電平隨系統(tǒng)靈敏度的變化。由于AD5761R內(nèi)在的噪聲抑制能力，0.1 Hz至10 Hz的輸出噪聲測量結(jié)果之間沒有觀察到明顯的差異。當(dāng)使用附加LDO時(shí)，AD5761R輸出噪聲大為改善，其性能與基線測量結(jié)果相當(dāng)。

　　對于交流性能測試，AD5761R在本文說明的所有電源配置下都達(dá)到了數(shù)據(jù)手冊所述的性能規(guī)格。

　　AD5761R是一款16位DAC，集成了輸出放大器、基準(zhǔn)電壓緩沖器和最大5 ppm/°C溫度系數(shù)的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。AD5761R采用最高30 V的單極性電源供電，或采用?16.5 V至0 V VSS和4.75 V至16.5 V VDD的雙電源供電。AD5761R具有8個(gè)可編程輸出范圍和35 nV/√Hz噪聲，某些范圍的建立時(shí)間為7.5 μs。

　　ADR4525是一款2.5 V基準(zhǔn)電壓源，在本應(yīng)用筆記所述的測試中用作外部基準(zhǔn)電壓源，以滿足應(yīng)用對超低噪聲基準(zhǔn)電壓源的需求。

　　ADP5070是一款雙通道高性能DC-DC穩(wěn)壓器，可產(chǎn)生獨(dú)立調(diào)節(jié)的正供電軌和負(fù)供電軌。2.85 V至15 V的輸入電壓范圍支持各種應(yīng)用。兩個(gè)穩(wěn)壓器中的集成主開關(guān)可產(chǎn)生高達(dá)+39 V的可調(diào)正輸出電壓，以及低至輸入電壓以下?39 V的負(fù)輸出電壓。ADP5070以引腳選擇的1.2 MHz/2.4 MHz開關(guān)頻率工作。此外，該穩(wěn)壓器針對金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)驅(qū)動(dòng)級(jí)有一個(gè)壓擺率控制電路，用以減少電磁干擾(EMI)。

　　ADP7142是一款LDO線性穩(wěn)壓器，采用2.7 V至40 V電源供電，最大輸出電流為200 mA。這款高輸入電壓LDO線性穩(wěn)壓器非常適合于調(diào)節(jié)由40 V至1.2 V供電軌供電的高性能模擬和混合信號(hào)電路。該器件采用專有架構(gòu)，提供高電源抑制、低噪聲特性，并實(shí)現(xiàn)了出色的線路與負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)性能。ADP7142穩(wěn)壓器在5 V時(shí)的輸出噪聲為11 μV rms或更低，并且能夠?qū)? V選項(xiàng)的輸出電壓調(diào)整至15 V，同時(shí)仍可實(shí)現(xiàn)低于35 μV rms的噪聲電平。

　　ADP7182是一款LDO線性穩(wěn)壓器，采用?2.7 V至?28 V電源供電，最大輸出電流為?200 mA。這款高負(fù)輸入電壓LDO線性穩(wěn)壓器非常適合于調(diào)節(jié)由?27 V至?1.2 V供電軌供電的高性能模擬和混合信號(hào)電路。

　　目錄

　　簡介 ...................................................................................... 1

　　修訂歷史 ............................................................................... 2

　　雙極性DAC .................................................................................... 3

　　產(chǎn)生雙極性范圍 ........................................................... 3

　　配置AD5761R以支持單電源系統(tǒng) .......... 4

　　電路描述 ....................................................................... 4

　　測量和結(jié)果 .............................................................. 7

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

　　AD5761R電源配置 ...................................7

　　電源頻譜分析 ................................................7

　　AD5761R輸出電壓噪聲 .............................................. 11

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

　　雙極性DAC

　　測試與測量、數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行器控制和工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用需要多種電壓范圍，因?yàn)樵诠ぷ髌陂g電壓范圍可能會(huì)改變。

　　雙極性DAC既可輸出單極性電壓，也可輸出雙極性電壓。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要使用雙電源。當(dāng)產(chǎn)生雙極性輸出范圍時(shí)，務(wù)必考慮設(shè)計(jì)復(fù)雜性和獲得雙極性范圍的實(shí)際配置。

　　并非所有雙極性DAC都集成了基準(zhǔn)電壓源、輸出緩沖器或基準(zhǔn)電壓緩沖器以構(gòu)成完整解決方案。在此類情況下，設(shè)計(jì)時(shí)間、形狀因素和選擇合適器件的過程會(huì)提高應(yīng)用的復(fù)雜性。

　　AD5761R是一款完整的解決方案，提供了所有必需的功能，并且集成了緩沖基準(zhǔn)電壓源和輸出緩沖器。去耦電容是電路唯一需要的外部元件。本文說明的AD5761R配置采用DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器、LC濾波器、LDO線性穩(wěn)壓器和/或電阻分壓器，支持僅有標(biāo)準(zhǔn)5 V單電源可用的應(yīng)用。

　　產(chǎn)生雙極性范圍

　　諸如乘法DAC或nanoDAC等單電源DAC可用來產(chǎn)生雙極性輸出范圍。然而，利用這些DAC產(chǎn)生雙極性輸出范圍需要增加外部分立器件。在此類解決方案中，基本配置包括一個(gè)通用DAC、一個(gè)放大級(jí)和一個(gè)偏移級(jí)。圖1顯示了一個(gè)采用單電源DAC的分立解決方案示例。在不要求最小板面積、系統(tǒng)整體高性能或低成本的應(yīng)用中，分立解決方案是可以接受的。要實(shí)現(xiàn)圖1中的電路，估計(jì)需要23 mm2的面積。此估計(jì)考慮了外部器件數(shù)量增加導(dǎo)致最終輸出信號(hào)質(zhì)量下降而引起的誤差。增加昂貴的精密電阻以優(yōu)化系統(tǒng)性能會(huì)提高成本。

　　圖2所示為AD5761R，其集成了圖1為產(chǎn)生雙極性范圍所需要的外部器件。AD5761R采用3 mm × 3 mm小型LFCSP封裝。

　　圖1. ±10 V單電源DAC配置

　　圖2. AD5761R功能框圖

　　配置AD5761R以支持單電源系統(tǒng)

　　電路描述

　　圖2所示的AD5761R DAC提供4個(gè)單極性輸出范圍(0 V至5 V、0 V至10 V、0 V至16 V和0 V至20 V)和4個(gè)雙極性輸出范圍(?2.5 V至7.5 V、±3 V、±5 V和±10 V)。

　　在本應(yīng)用筆記中，AD5761R采用特定電源電壓供電以覆蓋所有8個(gè)可能的輸出范圍。除電壓源外，AD5761R還需要最少1 V的上裕量/下裕量，因此，應(yīng)向該DAC施加最少21 V的VDD和最大?11 V的VSS。當(dāng)該DAC用于輸出較低輸出范圍時(shí)，可以提供較低電源電壓。

　　本應(yīng)用筆記提出兩種電源配置，其可提供所需的VDD和VSS電壓。為DAC供電的最佳方法由系統(tǒng)可接受的噪聲電平?jīng)Q定。這兩種配置包括如下器件：

　　? ADP5070和梯形電阻。這種情況下，應(yīng)插入LK1、LK2、LK7和LK8鏈接。

　　? ADP5070、梯形電阻和線性穩(wěn)壓器(ADP7142和ADP7182)。這種情況下，應(yīng)移除LK1、LK2、LK7和LK8鏈接。

　　LK1和LK2鏈接用于旁路電路中的線性穩(wěn)壓器，LK7和LK8鏈接用于確定這些線性穩(wěn)壓器之前的可用電壓。表1列出了LK7和LK8鏈接配置的測試點(diǎn)A和測試點(diǎn)B的可用電壓。

　　圖3顯示了AD5761R的電源配置，其中VDD和VSS是通過不同方式從初始單極性5 V單電源產(chǎn)生。

　　表1. 電源配置選擇的鏈接詳情

　　ADR4525也可以從外部提供2.5 V基準(zhǔn)電壓。

　　DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器

　　ADP5070輸出電壓調(diào)節(jié)到+21 V和?11 V。為使AD5761R覆蓋DAC的所有8個(gè)可能的可編程輸出范圍，這些電源電壓是必需的。

　　圖3顯示了兩個(gè)濾波器元件，主要用于消除開關(guān)紋波。增加一個(gè)LC濾波器作為初始紋波濾波器，其位于穩(wěn)壓器控制環(huán)路內(nèi)部。在紋波頻率，該LC濾波器的值可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)大的衰減。在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出級(jí)可增加二級(jí)LDO線性穩(wěn)壓器(可選)，以便進(jìn)一步消除紋波。單憑LC濾波器，AD5761R就能達(dá)到數(shù)據(jù)手冊的性能規(guī)格，不過某些情形要求更低的噪聲，為此可以在輸出級(jí)級(jí)聯(lián)一個(gè)LDO。

　　圖3. AD5761R電源配置

　　線性穩(wěn)壓器

　　ADP5070連同ADP7182和ADP7142線性穩(wěn)壓器，是本電路中的替代選擇，可獲得最低噪聲的+21 V和?11 V電壓源。注意：對于這種方法，LK1、LK2、LK7和LK8需移除。

　　ADP5070提供+39 V的正輸出電壓和–39 V的負(fù)輸出電壓。圖4顯示了構(gòu)成電阻分壓器(R26、R27和R31;R28、R29和R30)的電阻值，這些電阻分壓器用以將上述電壓調(diào)節(jié)為ADP7142和ADP7182的可接受輸入電壓。注意：除了線性穩(wěn)壓器的輸出電壓要求，還需要最少2 V的上裕量/下裕量。

　　這兩個(gè)線性穩(wěn)壓器(ADP7142和ADP7182)均配置為以盡可能低的噪聲提供輸出電壓信號(hào)。如ADP7142和ADP7182數(shù)據(jù)手冊所述，為了獲得超低輸出噪聲，設(shè)置輸出電壓的電阻分壓器需要增加兩個(gè)元件。CNR(C1、C2)和RNR(R2、R4)與RFB1(R3、R5)并聯(lián)，用以降低誤差放大器的交流增益。

　　在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出級(jí)增加線性穩(wěn)壓器可降低未被無源濾波器完全消除的DAC輸出積分噪聲。

　　電阻分壓器

　　圖5顯示了通過電阻分壓器將ADP5070的正負(fù)輸出電壓調(diào)節(jié)為AD5761R所需的+21 V VDD和?11 V VSS電壓源的方案。這種配置不涉及線性穩(wěn)壓器，因此應(yīng)插入LK1、LK2、LK7和LK8鏈接。

　　圖4. 采用ADP5070和線性穩(wěn)壓器的AD5761R電源配置

　　圖5. 采用ADP5070和電阻分壓器的AD5761R電源配置