精密电压源设计

精密电压源设计

唔,看到标题,你就可以预见——这又是一个烧钱的项目。
但是,哪个男孩子不想要一个精密电压源呢?!!!

Josephson-Junction Array 标准电压源与HP3458A 8位半数字万用表
JJA

基准电压源的关键参数

基准电压源器件和线性稳压器的结构十分相似,不过后者能够输出更大的电流,而前者在设计时会更多的侧向于保证其精度与稳定性。

一般我们选择一个基准电压源,主要考虑它的如下指标:

  • 输入输出电压,及最小压差
  • 初始精度误差(容差)
  • 温度漂移系数
  • 噪声
  • 短期稳定性与长期稳定性
  • 负载灵敏度
  • 线路灵敏度
  • 动态负载响应
  • 封装形式与湿度敏感性
  • ……

一长串指标看着是不是头大了…没办法咯,既然来到了精密的领域,设计时就必须考虑周全,事事谨慎。

各家半导体公司都有基准电压源芯片产品,比如ADI的LTZ1000、ADR系列,TI的REF系列。国际电压值标准是由上面那张图中的铁罐罐所标定的。它背后的理论基础是约瑟夫森效应(Josephson effect),是一种巨观量子效应。我国最早的电压基准由中国工程院院士-高洁负责主导完成。

高洁

而商用电压基准源的最高水平是Linear Technology(现属于ADI)在1983年设计并生产的LTZ1000系列。ADI收购LT之后,使用更先进的工艺和技术,又推出了新一代超精密电压基准源ADR1000系列,相比前者具有更低的噪声,不过温度系数竟然不如LTZ1000,不懂。

LTZ1000

基准电压源的诅咒

不过电压基准源好是好,但是它却不是那么的灵活。一般电压基准源IC在设计时就被设计者设下了永伴其身的诅咒,只能输出固定的电压值。(当然诅咒的效力是会随着时间流逝与环境变化而逐渐消失的…)比如说大名鼎鼎的LTZ1000,输出电压在7V-7.5V左右,是个定值。如果我们想得到任我们随意掌控的基准电压源,我们就需要一些特殊的技术手段了~

  • 1.使用电阻分压器
  • 2.使用高分辨率DAC器件
  • 3.电子黑洞(哈哈哈其实我在嘲讽某些搅乱市场秩序的老烧。)

电阻分压器

根据欧姆定律,我们容易得知,使用合适的电阻组合对一个固定电压分压,可以得到我们想要的另一个电压。但事情可没有这么简单——你怎么知道电阻的阻值是恒定不变的呢?况且,电阻中存在热噪声,其均方根值与电阻阻值成正比,它也会为我们的电压基准测量带来不便。其次,我要怎么保证我使用的分压电阻的比率是精确的呢…毕竟每个电阻都有误差。

不过,如果不计成本,是可以使用电阻分压的方案的。我们可以使用Kelvin-Varley Divider结构来简化电路设计、减少器件使用,同时提高稳定性:
如果我们要将一个已知的电压细分为1000个档位(也就是1000等分),最直接的想法可能是串联1001个同样阻值的电阻(当然,不可能完全阻值相同,所以使所有电阻器精密匹配的过程是极其…痛苦且烧钱的。)。而Kelvin-Varley Divider可以使用更少的器件来完成分压工作,虽然它同样要求电阻精密匹配,但是数量上直接少了2个数量级。

Kelvin Varley Divider

Kelvin-Varley Divider的设计思想是使用 级联(cascaded)结构。一级包含11个精密匹配电阻,它们将电压细分为10个档位,然后通过设计电阻值让前后级的输入输出阻抗匹配,即可完成极为精密的细分工作。

Fluke 720A就是一款K-V分压器。它的设计我只能说…十分奢侈。不过这也是没办法的事233.

Fluke 720A

Fluke 720A Schematic

要制作一个K-V分压器,需要若干阻值成比例关系的精密匹配电阻,同时需要保证所有的电阻的温度变化趋势相同,最好为同一温度。Fluke使用了冷却油浸设计来保证关键部分的电阻器的温度保持一致。
当然,720A是正儿八经的校准仪器,一般是用来做计量校准工作用的。他不是特别适合作为随身携带的电子设备使用…(好吧随身携带这个要求是我提的,我喜欢能随身带的:D)

精密DAC器件

现代半导体技术已经能在一定程度上做出"理想"器件了。比如说使用激光在硅片上雕刻形状,来精细控制硅电阻以实现匹配,通过这种硅片上匹配技术,能制造许多高精度的模拟器件。

比如ADI公司生产的20位电压输出型DAC-AD5791,其各项误差指标均达到了哈人的水平。AD5791是R2R型DAC,这需要在芯片内部实现极高精度的电阻值匹配,才能做出指标这么哈人的DAC。。。

AD5791 Specification

AD5791 R2R Arch

那么,价格呢?其实也不贵,不至于让人死心,也就50美刀。不过最大的问题是,它缺货。。
在2022年全球半导体产业大缺货的大环境下,不知道ADI是真排不到生产线还是没有客户有这个需求,ADI不产了。。。(好吧其实它不缺货我也买不起)

不过好在我们有Alternate Choice。20位DAC弄不到,可以弄18位的嘛。

LTC2756-18位DAC

上次在ADI申请样片申请了一片LTC2756,以及2片电压基准源-LTC6655-2.5-LS8。我想这个组合刚好用来做精密电压源~
虽然没有5791那么高的分辨率和辣么低的非线性误差,LTC2756性能也不差,至少拉出来市面上没几个能打的。

LTC2756

于是我打算用LTC2756和LTC6655-2.5设计一版精密电压源。参考了一下AD5791的应用,以及CN-0531参考设计,我决定使用我之前设计的 精密低噪声电源 作为这次的精密电压源的模拟部分供电。具体的就是图中红框框出来的部分啦。LT3471是双路DC-DC转换器,设计一路Boost和一路反压拓扑,将3.3V至5V的输入电压转换为正负16V的输出。LT3042/LT3093是具有超高PSRR和超低噪声的正负LDO,具有200mA输出能力,完全足够我们使用。在这里我设置2个LDO工作输出±15V,作为运算放大器的供电。

CN-0531

然后我还为这个电压源设计了一个24位的Sigma-Delta ADC-MCP3561来实现闭环检测,我预想的是使用闭环检测和某种抖动算法来让DAC实现更高的有效位数,不过算法我还没想好怎么实现。
然后ADC和DAC的供电也需要区分模拟与数字,我用了2个LDO,同时模拟部分的LDO也负责给基准源-LTC6655供电。电路的顶层模块如下:

Schematic

数字和供电接口用了2个PMOD接口(第一次用,想试试)。PCB渲染图如下:

PCB Front

PCB Back

然后一点实物图与测试图:

焊接精密低噪声电源

soildering

果然第一版都难逃设计bug的噩运…

jumper

使用5位半(上)和6位半(下)输出0.5V测试

0.5 Volts

臭臭的电压-口区

1.14514 Volts

用完CNPP的表,又跑去楼下实验室蹭6位半的吉时利DMM6500用

1.14514 Volts

使用DMM6500的直方图统计功能,有些漂是因为没有做密封外壳,同时有些机械振动,可以看出,稳如老狗。

Histogram

然后是我用相机拍的一些电子涩图。

p1

p2

金封的LTC6655真好看啊。

不过我做完了这版还不满意,我想把他装进一个小盒子里,用锂电池供电,用编码器调节参数,同时有显示器能显示参数。所以我做了Rev 1.1,目的是缩小PCB体积,同时将PMOD整合到一个接口上去。

pcb v1.1

pcb v1.1 front

pcb v1.1 back

嗯,PCB面积相较于上一版缩小了约50%,但是没地方放logo了……..(sad。)

板子还没打样,做完了我会把所有设计文件和软件扔到github上。

后续

后续是填坑啦。当然,我可能还需要使用高位数字万用表(比如HP 3458A,不过显然我是没有的)去标定我的电压基准源,同时测试这个精密电压源的各项指标性能,看看他达到了datasheet中的标称性能没有。

HP 3458A

参考文献与资料

学习资源

MT-087:基准电压源
MT-015:DAC基本架构Ⅱ:二进制加权DAC
用20位DAC实现1ppm精度—精密电压源

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