简介
本应用笔记描述一个集ADP5070DC-DC开关稳压器、ADP7142和ADP7182互补金属氧化物半导体(CMOS)低压差(LDO)线性稳压器、LC滤波器及电阻分压器于一体的电路，用以从5V单电压源产生双电源。AD5761R是一款双极性数模转换器(DAC)，需要双电源以提供双极性输出电压范围。本应用笔记详细说明了如何配置该电路以使其适合只有一个5V单电源可用的仪表应用。
作为双极性DAC的单极性5V电源解决方案，ADP5070、ADP7142、ADP7182和/或LC滤波器的组合输出单极性和双极性电压范围，其噪声性能与由台式电源供电的DAC相似。
本应用笔记包括的电源频谱分析、电压输出噪声和交流性能数据证明了这种方案性能出色。
积分噪声测量确定解决方案的噪声电平随系统灵敏度的变化。由于AD5761R内在的噪声抑制能力，0.1Hz至10Hz的输出噪声测量结果之间没有观察到明显的差异。当使用附加LDO时，AD5761R输出噪声大为改善，其性能与基线测量结果相当。
AD5761R是一款16位DAC，集成了输出放大器、基准电压缓冲器和最大5ppm/°C温度系数的内部基准电压源。AD5761R采用最高30V的单极性电源供电，或采用?16.5V至0VVSS和4.75V至16.5VVDD的双电源供电。AD5761R具有8个可编程输出范围和35nV/√Hz噪声，某些范围的建立时间为7.5μs。
ADR4525是一款2.5V基准电压源，在本应用笔记所述的测试中用作外部基准电压源，以满足应用对超低噪声基准电压源的需求。
ADP5070是一款双通道高性能DC-DC稳压器，可产生独立调节的正供电轨和负供电轨。2.85V至15V的输入电压范围支持各种应用。两个稳压器中的集成主开关可产生高达+39V的可调正输出电压，以及低至输入电压以下?39V的负输出电压。ADP5070以引脚选择的1.2MHz/2.4MHz开关频率工作。此外，该稳压器针对金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)驱动级有一个压摆率控制电路，用以减少电磁干扰(EMI)。
ADP7142是一款LDO线性稳压器，采用2.7V至40V电源供电，最大输出电流为200mA。这款高输入电压LDO线性稳压器非常适合于调节由40V至1.2V供电轨供电的高性能模拟和混合信号电路。该器件采用专有架构，提供高电源抑制、低噪声特性，并实现了出色的线路与负载瞬态响应性能。ADP7142稳压器在5V时的输出噪声为11μVrms或更低，并且能够将5V选项的输出电压调整至15V，同时仍可实现低于35μVrms的噪声电平。
ADP7182是一款LDO线性稳压器，采用?2.7V至?28V电源供电，最大输出电流为?200mA。这款高负输入电压LDO线性稳压器非常适合于调节由?27V至?1.2V供电轨供电的高性能模拟和混合信号电路。
目录
简介
…………………………………………………………………………..1
修订历史
…………………………………………………………………….2
双极性
DAC…………………………………………………………………………3
产生双极性范围
…………………………………………………..3
配置AD5761R以支持单电源系统……….4
电路描述
……………………………………………………………..4
测量和结果
……………………………………………………..7
ADP5070配置
……………………………………………………..7
AD5761R电源配置
……………………………..7
电源频谱分析
…………………………………………7
AD5761R输出电压噪声
……………………………………….11
交流性能
……………………………………………………………….16
双极性DAC
测试与测量、数据采集、执行器控制和工业自动化等应用需要多种电压范围，因为在工作期间电压范围可能会改变。
双极性DAC既可输出单极性电压，也可输出双极性电压。为实现这一目标，需要使用双电源。当产生双极性输出范围时，务必考虑设计复杂性和获得双极性范围的实际配置。
并非所有双极性DAC都集成了基准电压源、输出缓冲器或基准电压缓冲器以构成完整解决方案。在此类情况下，设计时间、形状因素和选择合适器件的过程会提高应用的复杂性。
产生双极性范围
诸如乘法DAC或nanoDAC等单电源DAC可用来产生双极性输出范围。然而，利用这些DAC产生双极性输出范围需要增加外部分立器件。在此类解决方案中，基本配置包括一个通用DAC、一个放大级和一个偏移级。图1显示了一个采用单电源DAC的分立解决方案示例。在不要求最小板面积、系统整体高性能或低成本的应用中，分立解决方案是可以接受的。要实现图1中的电路，估计需要23mm2的面积。此估计考虑了外部器件数量增加导致最终输出信号质量下降而引起的误差。增加昂贵的精密电阻以优化系统性能会提高成本。
图2所示为AD5761R，其集成了图1为产生双极性范围所需要的外部器件。AD5761R采用3mm×3mm小型LFCSP封装。
图1.±10V单电源DAC配置
图2.AD5761R功能框图
配置AD5761R以支持单电源系统
电路描述
图2所示的AD5761RDAC提供4个单极性输出范围(0V至5V、0V至10V、0V至16V和0V至20V)和4个双极性输出范围(?2.5V至7.5V、±3V、±5V和±10V)。
在本应用笔记中，AD5761R采用特定电源电压供电以覆盖所有8个可能的输出范围。除电压源外，AD5761R还需要最少1V的上裕量/下裕量，因此，应向该DAC施加最少21V的VDD和最大?11V的VSS。当该DAC用于输出较低输出范围时，可以提供较低电源电压。
本应用笔记提出两种电源配置，其可提供所需的VDD和VSS电压。为DAC供电的最佳方法由系统可接受的噪声电平决定。这两种配置包括如下器件：
?ADP5070和梯形电阻。这种情况下，应插入LK1、LK2、LK7和LK8链接。
?ADP5070、梯形电阻和线性稳压器(ADP7142和ADP7182)。这种情况下，应移除LK1、LK2、LK7和LK8链接。
LK1和LK2链接用于旁路电路中的线性稳压器，LK7和LK8链接用于确定这些线性稳压器之前的可用电压。表1列出了LK7和LK8链接配置的测试点A和测试点B的可用电压。
图3显示了AD5761R的电源配置，其中VDD和VSS是通过不同方式从初始单极性5V单电源产生。
表1.电源配置选择的链接详情
ADR4525也可以从外部提供2.5V基准电压。
DC-DC开关稳压器
ADP5070输出电压调节到+21V和?11V。为使AD5761R覆盖DAC的所有8个可能的可编程输出范围，这些电源电压是必需的。
图3显示了两个滤波器元件，主要用于消除开关纹波。增加一个LC滤波器作为初始纹波滤波器，其位于稳压器控制环路内部。在纹波频率，该LC滤波器的值可实现相当大的衰减。在开关稳压器的输出级可增加二级LDO线性稳压器(可选)，以便进一步消除纹波。单凭LC滤波器，AD5761R就能达到数据手册的性能规格，不过某些情形要求更低的噪声，为此可以在输出级级联一个LDO。
图3.AD5761R电源配置
线性稳压器
ADP5070连同ADP7182和ADP7142线性稳压器，是本电路中的替代选择，可获得最低噪声的+21V和?11V电压源。注意：对于这种方法，LK1、LK2、LK7和LK8需移除。
ADP5070提供+39V的正输出电压和–39V的负输出电压。图4显示了构成电阻分压器(R26、R27和R31;R28、R29和R30)的电阻值，这些电阻分压器用以将上述电压调节为ADP7142和ADP7182的可接受输入电压。注意：除了线性稳压器的输出电压要求，还需要最少2V的上裕量/下裕量。
这两个线性稳压器(ADP7142和ADP7182)均配置为以尽可能低的噪声提供输出电压信号。如ADP7142和ADP7182数据手册所述，为了获得超低输出噪声，设置输出电压的电阻分压器需要增加两个元件。CNR(C1、C2)和RNR(R2、R4)与RFB1(R3、R5)并联，用以降低误差放大器的交流增益。
在开关稳压器的输出级增加线性稳压器可降低未被无源滤波器完全消除的DAC输出积分噪声。
电阻分压器
图5显示了通过电阻分压器将ADP5070的正负输出电压调节为AD5761R所需的+21VVDD和?11VVSS电压源的方案。这种配置不涉及线性稳压器，因此应插入LK1、LK2、LK7和LK8链接。
图4.采用ADP5070和线性稳压器的AD5761R电源配置
图5.采用ADP5070和电阻分压器的AD5761R电源配置
DVCC数字电源
图6显示了如何从外部5V电压信号或从5V_LDO提供AD5761R的数字电源。5V_LDO是一个噪声较低的电压信号，由ADP5070产生并由ADP7142稳压器调节。
基准电压
AD5761R提供一个默认开启的2.5V、5ppm/°C内部基准电压源。另外，图6显示了DAC的两个可能的外部基准源，其选择取决于LK4的位置。
?LK4可以短接位置A，此时一个外部电压输入VREFIN/VREFOUTSMB连接器。当使用内部基准电压源时，此连接器提供2.5V电压供外部使用。
?如果LK4短接位置C，则基准电压由超低噪声、高精度基准电压源ADR4525提供。
图6.AD5761R芯片连接
测量和结果
ADP5070配置
为了提供尽可能高的纹波幅度并获得最差情况下的结果，将ADP5070的开关频率设置为1.2MHz并使用快速压摆模式。
AD5761R电源配置
本部分说明的系列测量显示了AD5761RDAC在三种数据码(零电平、半量程和满量程)下的测试结果;输出电压范围为±10V，这是该双极性DAC的代表性输出范围。在该系列测量中，AD5761R在四种不同电源配置下上电：
?外部电源(Agilent)
?DC-DC开关稳压器(ADP5070)和LC输出滤波器
?DC-DC开关稳压器(ADP5070)和CMOSLDO线性稳压器(ADP7142和ADP7182)(交流性能测试不包括这种电源配置)
?DC-DC开关稳压器(ADP5070)、LC输出滤波器和CMOSLDO线性稳压器(ADP7142和ADP7182)
AD5761R的性能也利用DAC内部基准电压源和ADR4525外部基准电压源进行了测试。
电源频谱分析
本部分说明的详细结果显示了DAC输出频谱如何随所选的电源配置而改变。表2和表3收集了图7至图20所示频谱分析的最大频谱响应电平。
表4显示了1.2MHz开关频率时10kHz和10MHz频率上的频谱分析的最大频谱响应电平。电源配置增加一个LC滤波器时，AD5761R维持在20.6dBμV(代表0.1LSB)的设定规格内。增加一个LDO作为二级滤波器，可将纹波进一步降低到与外部电源供电相当的水平，使得DAC能够以最小噪声输出工作。
表2.AD5761R每个DAC数据码的最大频谱电平(dBμV)，10Hz至10kHz
表3.AD5761R每个DAC码的最大频谱电平(dBμV)，10kHz至10MHz
表4.AD5761R每个DAC数据码的1.2MHz频谱电平(dBμV)，10kHz至10MHz
外部电源和AD5761R配置
图7至图10所示的频谱线用作随后AD5761RDAC和ADP5070直接开关稳压器评估的基线图。各图中的红色虚线比表示频谱电平的阈值。阈值设置为20.6dBμV，代表大约0.1LSB的值。在图7至图20中，RBW表示分辨率带宽，VBW表示视频带宽，REF表示基准值。
图7.外部电源和AD5761R配置输出频谱分析，内部基准电压源(10Hz至10kHz)
图8.外部电源和AD5761R配置输出频谱分析，外部基准电压源(10Hz至10kHz)
图9.外部电源和AD5761R配置输出频谱分析，内部基准电压源(10kHz至10MHz)
图10.外部电源和AD5761R配置输出频谱分析，外部基准电压源(10kHz至10MHz)
DC-DC开关稳压器和LC输出滤波器电源配置
在该电源配置中，LC滤波器用于初始纹波抑制，ADP5070直接开关稳压器用于产生双极性电源范围。图11和图12显示了10Hz到10kHz频率带宽的纹波水平，图13和图14显示了10kHz到10MHz频率带宽的纹波水平。
图11.ADP5070、LC滤波器和AD5761R电源配置输出频谱分析，内部基准电压源(10Hz至10kHz)
图12.ADP5070、LC滤波器和AD5761R电源配置输出频谱分析，外部基准电压源(10Hz至10kHz)
图13和图14显示了1MHz时的频率尖峰。LC滤波器并未充分降低来自ADP5070DC-DC稳压器的纹波幅度，因此，从频谱分析角度看，这种电源解决方案的性能不够理想。
图13.ADP5070、LC滤波器和AD5761R电源配置输出频谱分析，内部基准电压源(10kHz至10MHz)
图14.ADP5070、LC滤波器和AD5761R电源配置输出频谱分析，外部基准电压源(10kHz至10MHz)
DC-DC开关稳压器和CMOSLDO线性稳压器电源配置
在ADP5070DC-DC稳压器输出端增加LDO，可以显著降低“DC-DC开关稳压器和LC输出滤波器电源配置”部分在1MHz频率观察到的尖峰。这说明，为电源电路增加LC滤波器并不是改善性能所必需的。
图15和图16显示了ADP5070、LDO和AD5761R电源配置在高频时的性能。
图15.ADP5070、LDO和AD5761R电源配置输出频谱分析，内部基准电压源(10kHz至10MHz)
图16.ADP5070、LDO和AD5761R电源配置输出频谱分析，外部基准电压源(10kHz至10MHz)
然而，如果需要增加一个滤波级，那么“DC-DC开关稳压器、LC输出滤波器和CMOSLDO线性稳压器电源配置”部分说明的电源配置可产生相似的性能，该配置中的LC滤波器和LDO均伴随DC-DC稳压器。
DC-DC开关稳压器、LC输出滤波器和CMOSLDO线性稳压器电源配置
为DC-DC开关稳压器和LC输出滤波器电源配置增加两个LDO可进一步滤除模拟电源的纹波。ADP7142用在模拟正电源(VDD)上，而ADP7182用在模拟负电源上。
如“DC-DC开关稳压器和CMOSLDO线性稳压器电源配置”部分所述，当以高频工作时，在ADP5070DC-DC开关输出端增加LDO足以获得良好的输出频谱性能，而不会增加任何干扰频率的尖峰。LC滤波器仍然能对输出噪声抑制起到一定的作用，但LDO是降低输出噪声的最重要因素。然而，为了充分滤除高频纹波，仍然推荐使用LC滤波器。
图17.ADP5070、LC滤波器、LDO和AD5761R电源配置输出频谱分析，内部基准电压源(10Hz至10kHz)
图18.ADP5070、LC滤波器、LDO和AD5761R电源配置输出频谱分析，外部基准电压源(10Hz至10kHz)
图19.ADP5070、LC滤波器、LDO和AD5761R电源配置输出频谱分析，内部基准电压源(10kHz至10MHz)
图20.ADP5070、LC滤波器、LDO和AD5761R电源配置输出频谱分析，外部基准电压源(10kHz至10MHz)
AD5761R输出电压噪声
要提供高精度响应，DAC输出端的峰峰值噪声必须维持在1LSB以下;对于16位分辨率和20V峰峰值电压范围，其为305.17μV。对于0.1Hz到10Hz频率带宽，AD5761R的典型输出噪声为15μVp-p;对于100kHz频率带宽，典型输出噪声为35μVrms(相当于大约100μVp-p)。对于±10V范围，测量AD5761R的输出端噪声100秒，频率范围为0.1Hz至10Hz，带宽为100kHz。
三种不同配置的测试结果表明，DAC达到了AD5761R数据手册的性能规格。图21至图34显示了每种配置和频率带宽的DAC输出噪声，表5至表11则总结了各种电源配置下DAC输出端的最大峰峰值噪声。
收集的数据显示了本应用笔记说明的所有电源配置的共同趋势。对于较低的频率，使用ADR4525外部基准电压源可获得较低的DAC输出电压噪声。对于较高频率带宽，与AD5761R内部基准电压源相比，使用ADR4525外部基准电压源会降低噪声性能。
在较低频率带宽时，对于图31和图32所示的DAC输出噪声，电源配置增加LDO会对性能有轻微影响。
相比之下，在较高频率带宽时，电源配置增加LDO有助于保持整体低噪声性能。图29和图30显示DAC由ADP5070和LDO供电且频率带宽高达100kHz时的AD5761R输出噪声。
表5.外部电源和AD5761R最大峰峰值输出噪声(μVp-p)，0.1Hz至10Hz频率带宽
图21.外部电源和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，0.1Hz至10Hz带宽，内部基准电压源
图22.外部电源和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，0.1Hz至10Hz带宽，外部基准电压源
表6.外部电源和AD5761R最大峰峰值输出噪声(μVp-p)，100kHz频率带宽
图23.外部电源和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，100kHz带宽，内部基准电压源
图24.外部电源和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，100kHz带宽，外部基准电压源
表7.ADP5070、LC滤波器和AD5761R最大峰峰值输出噪声(μVp-p)，0.1Hz至10Hz频率带宽
图25.ADP5070、LC滤波器和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，0.1Hz至10Hz带宽，内部基准电压源
图26.ADP5070、LC滤波器和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，0.1Hz至10Hz带宽，外部基准电压源
表8.ADP5070、LC滤波器和AD5761R最大峰峰值输出噪声(μVp-p)，100kHz频率带宽
图27.ADP5070、LC滤波器和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，100kHz带宽，内部基准电压源
图28.ADP5070、LC滤波器和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，100kHz带宽，外部基准电压源
表9.ADP5070、LDO和AD5761R最大峰峰值输出噪声(μVp-p)，100kHz频率带宽
图29.ADP5070、LDO和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，100kHz带宽，内部基准电压源
图30.ADP5070、LDO和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，100kHz带宽，外部基准电压源
表10.ADP5070、LC滤波器、LDO和AD5761R最大峰峰值输出噪声(μVp-p)，0.1Hz至10Hz频率带宽
图31.ADP5070、LC滤波器、LDO和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，0.1Hz至10Hz带宽，内部基准电压源
图32.ADP5070、LC滤波器、LDO和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，0.1Hz至10Hz带宽，外部基准电压源
表11.ADP5070、LC滤波器、LDO和AD5761R最大峰峰值输出噪声(μVp-p)，100kHz频率带宽
图33.ADP5070、LC滤波器、LDO和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，100kHz带宽，内部基准电压源
图34.ADP5070、LC滤波器、LDO和AD5761R峰峰值噪声(电压输出噪声)，100kHz带宽，外部基准电压源
交流性能
本部分提供ADR4525用作基准电压源的电源配置的信噪比(SNR)、总谐波失真(THD)、信纳比(SINAD)和无杂散动态范围(SFDR)参数。表12总结了图35至图37所示三种电源配置的交流性能;针对这些配置产生了一个1kHz连续正弦波。
图35.外部电源和AD5761R以数字方式产生的正弦波，1kHz信号音、17dBV(7.07Vrms)
图36.ADP5070、LC滤波器和AD5761R以数字方式产生的正弦波，1kHz信号音、17dBV(7.07Vrms)
图37.ADP5070、LC滤波器、LDO和AD5761R以数字方式产生的正弦波，1kHz信号音、17dBV(7.07Vrms)
表12.交流性能
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