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

　　簡介

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

　　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，其噪聲性能與由臺式電源供電的DAC相似。

　　本應用筆記包括的電源頻譜分析、電壓輸出噪聲和交流性能數據證明了這種方案性能出色。

　　當用戶對系統執行不同的測試時，本文提出的電源配置會產生不同的結果。例如，當使用DAC的內部基準電壓源時，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，針對使用外部基準電壓源的頻譜分析，外部電源可提供最佳結果。對于更高的頻率帶寬(10 kHz到10 MHz)，給ADP5070電源增加CMOS LDO線性穩壓器可提供最佳頻譜噪聲性能。LC濾波器和LDO配置產生的1.2 MHz開關雜散電平與外部電源配置相當。

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

　　對于交流性能測試，AD5761R在本文說明的所有電源配置下都達到了數據手冊所述的性能規格。

　　AD5761R是一款16位DAC，集成了輸出放大器、基準電壓緩沖器和最大5 ppm/°C溫度系數的內部基準電壓源。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個可編程輸出范圍和35 nV/√Hz噪聲，某些范圍的建立時間為7.5 μs。

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

　　ADP5070是一款雙通道高性能DC-DC穩壓器，可產生獨立調節的正供電軌和負供電軌。2.85 V至15 V的輸入電壓范圍支持各種應用。兩個穩壓器中的集成主開關可產生高達+39 V的可調正輸出電壓，以及低至輸入電壓以下?39 V的負輸出電壓。ADP5070以引腳選擇的1.2 MHz/2.4 MHz開關頻率工作。此外，該穩壓器針對金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)驅動級有一個壓擺率控制電路，用以減少電磁干擾(EMI)。

　　ADP7142是一款LDO線性穩壓器，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線性穩壓器非常適合于調節由40 V至1.2 V供電軌供電的高性能模擬和混合信號電路。該器件采用專有架構，提供高電源抑制、低噪聲特性，并實現了出色的線路與負載瞬態響應性能。ADP7142穩壓器在5 V時的輸出噪聲為11 μV rms或更低，并且能夠將5 V選項的輸出電壓調整至15 V，同時仍可實現低于35 μV rms的噪聲電平。

　　ADP7182是一款LDO線性穩壓器，采用?2.7 V至?28 V電源供電，最大輸出電流為?200 mA。這款高負輸入電壓LDO線性穩壓器非常適合于調節由?27 V至?1.2 V供電軌供電的高性能模擬和混合信號電路。

　　目錄

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

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

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

　　產生雙極性范圍 ........................................................... 3

　　配置AD5761R以支持單電源系統 .......... 4

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

　　測量和結果 .............................................................. 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、數據采集、執行器控制和工業自動化等應用需要多種電壓范圍，因為在工作期間電壓范圍可能會改變。

　　雙極性DAC既可輸出單極性電壓，也可輸出雙極性電壓。為實現這一目標，需要使用雙電源。當產生雙極性輸出范圍時，務必考慮設計復雜性和獲得雙極性范圍的實際配置。

　　并非所有雙極性DAC都集成了基準電壓源、輸出緩沖器或基準電壓緩沖器以構成完整解決方案。在此類情況下，設計時間、形狀因素和選擇合適器件的過程會提高應用的復雜性。

　　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開關穩壓器、LC濾波器、LDO線性穩壓器和/或電阻分壓器，支持僅有標準5 V單電源可用的應用。

　　產生雙極性范圍

　　諸如乘法DAC或nanoDAC等單電源DAC可用來產生雙極性輸出范圍。然而，利用這些DAC產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，基本配置包括一個通用DAC、一個放大級和一個偏移級。圖1顯示了一個采用單電源DAC的分立解決方案示例。在不要求最小板面積、系統整體高性能或低成本的應用中，分立解決方案是可以接受的。要實現圖1中的電路，估計需要23 mm2的面積。此估計考慮了外部器件數量增加導致最終輸出信號質量下降而引起的誤差。增加昂貴的精密電阻以優化系統性能會提高成本。

　　圖2所示為AD5761R，其集成了圖1為產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

　　電路描述

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

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

　　本應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可接受的噪聲電平決定。這兩種配置包括如下器件：

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

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

　　LK1和LK2鏈接用于旁路電路中的線性穩壓器，LK7和LK8鏈接用于確定這些線性穩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A和測試點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基準電壓。

　　DC-DC開關穩壓器

　　ADP5070輸出電壓調節到+21 V和?11 V。為使AD5761R覆蓋DAC的所有8個可能的可編程輸出范圍，這些電源電壓是必需的。

　　圖3顯示了兩個濾波器元件，主要用于消除開關紋波。增加一個LC濾波器作為初始紋波濾波器，其位于穩壓器控制環路內部。在紋波頻率，該LC濾波器的值可實現相當大的衰減。在開關穩壓器的輸出級可增加二級LDO線性穩壓器(可選)，以便進一步消除紋波。單憑LC濾波器，AD5761R就能達到數據手冊的性能規格，不過某些情形要求更低的噪聲，為此可以在輸出級級聯一個LDO。

　　圖3. AD5761R電源配置

　　線性穩壓器

　　ADP5070連同ADP7182和ADP7142線性穩壓器，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的負輸出電壓。圖4顯示了構成電阻分壓器(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節為ADP7142和ADP7182的可接受輸入電壓。注意：除了線性穩壓器的輸出電壓要求，還需要最少2 V的上裕量/下裕量。

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

　　在開關穩壓器的輸出級增加線性穩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的正負輸出電壓調節為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壓器，因此應插入LK1、LK2、LK7和LK8鏈接。

　　圖4. 采用ADP5070和線性穩壓器的AD5761R電源配置

　　圖5. 采用ADP5070和電阻分壓器的AD5761R電源配置