精心选择元件、拓扑结构和布局，实现 7.5 位信号链准确度

虽然四位甚至五位就能满足许多分辨率读数要求，但实验室级数字万用表 (DMM)、现场仪表校准、磅秤/实验室天平和地震仪器等应用则需要更高的准确度和 7.5 (7½) 位显示。当存在不可避免的大直流信号和偏移时，若需精确测量微小的低频信号变化，就需要有这种性能。

达到这样的准确度需要多方面的努力，并认真关注与元件选择和物理实施相关的各种因素。设计人员必须了解多种潜在误差源、短期和长期行为的影响以及电路稳定性。

本文简要讨论了开发一个有效且准确的 7.5 位模拟信号读数系统时需考虑的设计问题。然后介绍能让设计人员实现这一性能的 Analog Devices 元件。

高精度读数系统的元件选择

高精度系统始于其有源和无源元件。虽然高集成度可以简化设计和布局，实现可靠的性能水平，但设计人员往往可以通过适当的排列和物理布局，使用经过优化的单功能 IC 来实现更高的性能。这些元件的工艺、制造、热问题和梯度、包装和相关的应力都能与应用要求达到最佳匹配。

高准确度 7.5 位系统（图 1）的核心元件是前置放大器、匹配增益设置电阻器、模数转换器 (ADC) 和电压基准。

图 1：7.5 位系统信号链的核心部分是前置放大器、增益设置电阻器、模数转换器和电压基准。（图片来源：Analog Devices，由 Bill Schweber 修改）

低电平模拟信号被送入低噪声前置放大器，该放大器的增益由匹配的精密电阻设定。此外，还可能有一个电磁干扰 (EMI) 滤波器。经过放大的信号通过高分辨率 ADC。该 ADC 利用精密电压基准提供数字化数值，以确保准确度。转换后的输出结果通过多种输入/输出 (I/O) 格式中达到某一种传输到系统过程中。

前置放大器：噪声和漂移是影响一致性和准确度的两个关键参数。ADA4523-1BCPZ-RL7（图 2 左）是一款 8 引线、36 V、低噪声、零漂移运算放大器（运放），可作为前置放大器。这款运算放大器可在 4.5 V 至 36 V 的宽电源范围内实现精密的直流性能。该器件抑制了失调电压和 1/f 噪声，因此在 0.1 Hz 至 10 Hz 频率范围内，可实现 ±4 μV 最大失调电压，以及 88 nV 峰峰值 (p-p) 典型输入噪声电压。该器件采用 8 引线表面贴装封装，如图所示（图 2，右）是其从近直流到 10 MHz 范围内的输入基准电压噪声密度。

图 2：ADA4523-1BCPZ-RL7（左）采用 8 引线表面贴装封装；如图所示（右）是其从近直流到 10 MHz 的基准输入电压噪声密度。（图片来源：Analog Devices）

斩波稳定式 ADA4523-1BCPZ-RL7 的自校准电路可实现低失调电压温度漂移（最大 0.01 μV/°C）和零时间漂移。此外，ADA4523-1BCPZ-RL7 还使用片上滤波器来实现高 EMI 抗扰度。

增益设置电阻：为使电路与不同的输入信号幅度和格式相匹配，通常需要可编程增益。对于实现精密性而言，增益设置电阻对的阻值匹配性及其在温度变化时的相互跟随性，比绝对阻值的准确性更为重要。与集成在放大器芯片中的电阻器相比，集成了这些电阻对的独立器件通常具有更优的性能。

例如，LT5401AHMSE#PBF（图 3，左）是一款超精密匹配电阻器网络，专为与全差分放大器配合使用而进行了优化，且在整个温度范围内具有出色的匹配性能。该电阻器网络包含两串匹配电阻器，每串提供三个分接点。使用一对 ADA4523-1BCPZ-RL7 运放和这些成对的增益设置电阻器，就能实现所需的放大器配置（图 3 右）。由此产生的匹配比非常适合精确地设定差分放大器的增益或衰减。

图 3：LT5401AHMSE#PBF（左）包含三对匹配电阻器，是由两个 ADA4523-1BCPZ-RL7 放大器（右）构成的高精度可编程增益级的关键器件。(图片来源：Analog Devices，由 Bill Schweber 修改）

LT5401AHMSE#PBF 关键的精密性和稳定性参数包括：

• 0.003% 电阻比匹配（最大值）
• 96.5 dB 共模抑制比 (CMRR)（最小值）
• ±25 ppm 增益误差（最大值）
• ±0.5 ppm/°C 匹配温度漂移（最大值）
• 8 ppm/°C 绝对电阻值温度漂移
• 长期稳定性：1,000 小时时小于 8 ppm

ADC：信号经过放大和调节后，就可以进行数字化处理。虽然有许多具有不同架构和属性的 ADC，但 Σ-Δ 方法非常适合精密应用，因为这种方法可以在转换时间和分辨率之间取得平衡。

例如 AD7177-2BRUZ-RL7 就是一款合适精密应用的 ADC（图 4），这是一款 32 位、10 千次采样/秒 (ksps) 低噪声多路转换器，具有 100 微秒 (µs) 建立时间和方便与前置放大器输出接口连接的轨至轨输入缓冲器。通过交叉点多路复用器，该 ADC 的多个输入通道可配置为两个全差分通道或四个单端通道。

图 4：多通道 AD7177-2BRUZ-RL7 Σ-Δ ADC 具有高转换分辨率和输入通道配置灵活性。(图片来源：Analog Devices）

请注意，虽然该器件高度集成，但这种集成并不影响其精密模拟性能，因为大部分集成性能在数字和输入/输出部分。多输入通道非常实用，因为许多高精度应用需要在相邻通道之间进行比较，或在实际数据采集场景中使用一个通道来获取基准读数。

该转换器还具有 85 dB 的 50 Hz 和 60 Hz 干扰滤波抑制功能，以保持信号完整性，其建立时间为 50 ms。该转换器还包括一个片上 2.5 V 基准（±2 ppm/°C 漂移），可使用内部时钟进行转换计时，或者使用外部时钟。虽然片上电压基准对于许多应用来说绰绰有余，但在要求更高精度的应用中却无法接受。因此，AD7177-2BRUZ-RL7 允许用户根据需要采用外部基准。

电压基准：电压基准的性能是信号链的决定因素。在大多数情况下，为 ADC 提供内部电压基准是非常实用的，因为这样可以减少元件数量，节省电路板空间，并确保达到规定的转换器性能水平。

然而，片上基准的性能无法与专用的独立器件相提并论，因为独立器件的设计、制造、调整和测试都只有一个目的，而且结果非常好：可提供一个高准确度、稳定和低噪声的电压。除少数例外情况外，系统的精确性、准确性和稳定性都不能超过该片上基准。然而，二阶和三阶误差效应（如自热和热梯度产生的芯片和封装应力）会影响基准性能。

因此，Analog Devices 提供的 ADR1399 精密电压基准在设计、工艺和封装方面都针对该单一功能进行了优化。为了进一步提高性能，他们的最高精度电压基准包括一个板载加热器，以保持恒温，因为温度变化会严重影响稳定性。

ADR1399 是埋入式精密齐纳并联电压基准 IC，提供固定 7.05 V 输出，在宽电压、温度和静态电流条件下具有出色的温度稳定性。温度稳定回路与单片基板上的有源齐纳二极管相结合，几乎消除了电压随温度变化的情况。

次表面齐纳电路在 3 毫安 (mA) 静态电流下完全达到规格要求，且在 0.1 至 10 Hz 范围内具有 1.44 μV p-p 超低噪声，在 10 Hz 至 1 kHz 范围内为 1.84 µV_RMS。此外，该器件还具有 0.2 ppm/℃ 超低温度系数和 7 ppm/千小时平方根 (ppm/√kHrs) 的出色长期稳定性。

该器件包两个版本。ADR1399KHZ（图 5 左上角）采用简单的 4 引脚、密封式 TO-46 封装，置于塑料绝热体内。这种绝热体有助于将环境温度波动保持在最低水平，从而降低所需的加热器功率。

相比之下，ADR1399KEZ（图 5 左下方）采用非绝热、8 引脚、表面贴装无引线芯片载体 (LCC)。在新增的四个引脚中，有两个引脚没有内部连接，而另外两个引脚则将有源基准分为 Kelvin 连接（激励-检测），以实现更高的准确度。封装类型对基准电压随温度变化的影响表明，TO-46 罐装 ADR1399KHZ（图 5 右上）和 LCC 封装 ADR1399KEZ（图 5 右下）之间的差异可以忽略不计。

图 5：封装类型（左）对基准电压随温度变化的影响曲线说明，TO-46 罐装 ADR1399KHZ（右上）和 LCC 装 ADR1399KEZ（右下）之间的差异可以忽略不计。(图片来源：Analog Devices）

电路拓扑

为了实现精确度，设计人员还必须使用可从本质上减少甚至消除误差源的拓扑结构和架构。某些信号可能需要差分配置来平衡和消除感应噪声。如前所述，即使在温度条件下，匹配并跟踪电阻器也可以改善放大器的差分性能。此外，四臂惠斯通电桥通常用于创建比率测量配置，使得各桥臂中无用漂移相互抵消，从而仅保留目标信号。

实际实施

精密设计的物理结构对性能非常重要。需要考虑的因素很多，包括 EMI 和热偶效应。任何异种金属连接都会形成热电结，产生随温度变化的微小电压（Seebeck 效应）。这些可能是低漂移电路中的主要误差源。连接器、开关、继电器触点、插座、电阻器和焊缝都可能产生严重的热电动势 (EMF)。

即使是不同制造商生产的铜线接头，也会产生 200 nV/°C 的热 EMF，是 ADA4523-1BCPZ-RL7 最大漂移的 10 倍以上。图 6 说明了潜在的 EMF 电压幅度及其温度敏感性。

图 6：所示为不同制造商提供的两根铜线（左）和焊锡到铜线（右）的接合处产生的热 EMF。(图片来源：Analog Devices）

当然，多回路接地也是一个重要的考虑因素。大量的低阻抗、独立式模拟和数字地线至关重要。电流需定向疏导以避开噪声敏感区域，并在两个接地分区之间仅保留单一连接点。在电源轨与接地层之间靠近负载处精心布置去耦电容的常规设计要求，此处同样适用。

校准

校准最终装置似乎是解决准确度和稳定性问题最直的接方法，但事实通常并非如此。校准至这一级别的分辨率准确度需要极其昂贵的标准件、精心安排实验装置，并且将是一个耗时的过程。该装置还需要在规定的周期内定期重新校准。

校准结果可用于纠正或补偿读数误差。在验证设计的性能时，校准是最有效的方法，而不是作为实现预期目标的策略。

结语

实现 7.5 位精确度和准确度是模拟和混合信号设计中的一项重大挑战。设计方案必须结合正确的元件、电路拓扑结构、物理布局和适当的校准。Analog Devices 的顶级元件、专业技术和应用支持，再加上对设计微妙之处的精心关注，使应对这一挑战成为可能。