陳禹竺,汪龍祺,于 濤,隋延林,陳泳錕,劉 鑫,薛 科

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春 130000)

0 引言

高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在各領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛,它將決定系統(tǒng)所能達(dá)到的最終檢測(cè)指標(biāo)。用于微小容差檢測(cè)的傳感電路需要在測(cè)量頻帶10-4～1 Hz內(nèi),對(duì)fF級(jí)容差進(jìn)行精確測(cè)量,并在時(shí)頻域上具備μV級(jí)別的電路噪聲的測(cè)試能力,這也就對(duì)其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了極高的要求。AD7779、AD7712等∑-Δ架構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片在高精度采集系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛,其中AD7712是24位的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,因其具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)與較高的采集精度從而得到大量應(yīng)用。以AD7712為例,結(jié)合指標(biāo)要求,在AD7712 ±2.5 V的測(cè)量范圍內(nèi),需要對(duì)應(yīng)電容傳感共計(jì)±120 pF容差變化量程,電路整體增益需小于20 μV/fF。而由于AD7712其自身內(nèi)部電壓基準(zhǔn)在時(shí)域上存在30 μV的電壓波動(dòng),因此難以滿足微小容差檢測(cè)系統(tǒng)中對(duì)fF級(jí)容差變化的讀出,以及傳感電路在10-4～1 Hz 頻帶內(nèi)μV級(jí)本底噪聲的檢測(cè)需求。本文設(shè)計(jì)一種高穩(wěn)定的外部基準(zhǔn)源用以替代AD7712內(nèi)部基準(zhǔn),以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度,滿足系統(tǒng)要求,為分析測(cè)試微小容差檢測(cè)傳感電路的低頻噪聲特性及提高電容傳感分辨率提供必要條件[1]。

1 基準(zhǔn)源的分類與選型應(yīng)用

根據(jù)基準(zhǔn)源的實(shí)現(xiàn)原理,電壓基準(zhǔn)源共分4種,分別為齊納二極管基準(zhǔn)源、帶隙基準(zhǔn)源、掩埋式基準(zhǔn)源、和XFET基準(zhǔn)源[2-3]。

齊納二極管基準(zhǔn)源由穩(wěn)壓二極管和普通二極管組成,工作時(shí)穩(wěn)壓管反向擊穿,處于雪崩狀態(tài),此時(shí)電壓具有正溫度系數(shù)與正向?qū)ǖ亩O管的負(fù)溫度系數(shù)相抵消,即可得到與溫度無(wú)關(guān)的穩(wěn)定電壓。但由于此種設(shè)計(jì)易受到外部環(huán)境的影響,因此出現(xiàn)了一種掩埋式齊納基準(zhǔn)源。將穩(wěn)壓管的PN結(jié)通過(guò)工藝處理掩埋于硅半導(dǎo)體的下方,降低了此類基準(zhǔn)源的溫度系數(shù),使其具有高穩(wěn)定、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。但其供電電壓較高,工作電流大,自身功耗較大,且長(zhǎng)期漂移指標(biāo)一般,在一定程度上限制了其應(yīng)用與發(fā)展。

帶隙基準(zhǔn)源是一種研究較深入且應(yīng)用廣泛的基準(zhǔn)源。主要設(shè)計(jì)思路是利用一個(gè)正溫度系數(shù)的電壓與一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電壓進(jìn)行匹配,最后得到一個(gè)不受溫度變換影響的電壓基準(zhǔn)進(jìn)行輸出。由于帶隙基準(zhǔn)源對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝兼容性極高,因此隨著相關(guān)工藝的發(fā)展,帶隙基準(zhǔn)源被更加廣泛且深入的研究,并被大量應(yīng)用在高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換及線性穩(wěn)壓器系統(tǒng)中[7-9]。

XFET基準(zhǔn)源是利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的夾斷電壓的性質(zhì),利用其不同的夾斷電壓,差分得到一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。并通過(guò)電阻的正溫度系數(shù)補(bǔ)償結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵源電壓,來(lái)得到一個(gè)具有零溫度系數(shù)的參考電壓。

結(jié)合以上分析,齊納基準(zhǔn)源優(yōu)點(diǎn)在于其較好的初始精度、溫度系數(shù)及噪聲,但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性不佳,且供電電壓高。帶隙基準(zhǔn)源的種類較多,其性能指標(biāo)也較為寬泛?？傮w來(lái)看是一種性能優(yōu)良,價(jià)格適中的基準(zhǔn)源[10-11]。XFET基準(zhǔn)源在各方面性能上都處于良好水平,但其對(duì)工藝要求較高,價(jià)格昂貴,在齊納基準(zhǔn)源與帶隙基準(zhǔn)源性能指標(biāo)覆蓋性較廣的情況下,XFET并不具備明顯優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于電壓基準(zhǔn)源的性能評(píng)價(jià)一般有溫度系數(shù)、基準(zhǔn)源噪聲、長(zhǎng)期漂移、熱遲滯、導(dǎo)通建立時(shí)間、輸入電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率等7個(gè)方面[4]。在本系統(tǒng)中基準(zhǔn)源的溫度穩(wěn)定性和基準(zhǔn)源噪聲對(duì)性能指標(biāo)影響最關(guān)鍵,即電壓基準(zhǔn)隨著溫度變化改變的程度,和基準(zhǔn)源電壓輸出噪聲。但一般情況下手冊(cè)指標(biāo)給出的是0.1～10 Hz的窄帶噪聲,在微小電容檢測(cè)敏感的低頻頻帶,手冊(cè)中并沒(méi)有給出基準(zhǔn)源在此頻帶下的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

2 基準(zhǔn)源低頻噪聲仿真

AD7712是一款∑-Δ架構(gòu)的24位高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,其電壓基準(zhǔn)的穩(wěn)定性決定了其采集結(jié)果的準(zhǔn)確性?；鶞?zhǔn)源波動(dòng)將導(dǎo)致模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生不希望的誤差,因此提高用于AD7712 的基準(zhǔn)源的穩(wěn)定性,是提高系統(tǒng)采集精度的核心。

AD780是一款高精密的帶隙基準(zhǔn)電壓源,有著良好的溫度系數(shù)和較低的輸出噪聲。AD780共分為AD780AN/AD780AR、AD780CR、AD780BN/AD780BR 3個(gè)質(zhì)量等級(jí)。各質(zhì)量等級(jí)主要性能指標(biāo)如表1所示,其中AD780BN/AD780BR有著0.4%的輸出準(zhǔn)確度和3 ppm/℃溫度系數(shù)最優(yōu)性能指標(biāo)(1 ppm=10-6),更有利于采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確讀出,和降低系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生的溫度漂移。

表1 AD780各質(zhì)量等級(jí)主要參數(shù)對(duì)比

由于相關(guān)基準(zhǔn)源的技術(shù)手冊(cè)通常只在0.1～10 Hz內(nèi)給出基準(zhǔn)源的噪聲指標(biāo),而微小電容檢測(cè)的傳感電路在低測(cè)量頻帶的特殊性,在其敏感的10-4～1 Hz頻帶內(nèi),技術(shù)手冊(cè)并沒(méi)有相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)AD780基準(zhǔn)源芯片進(jìn)行仿真,以獲取其在10-4～1 Hz頻帶內(nèi)的頻域噪聲指標(biāo),同時(shí)也為整體設(shè)計(jì)縮減設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。選取AD780BR搭建噪聲仿真電路,并選用平均值電路[12-13]進(jìn)一步提高基準(zhǔn)源輸出的溫度穩(wěn)定性,降低基準(zhǔn)源的熱噪聲。根據(jù)圖1仿真結(jié)果,經(jīng)計(jì)算AD780BR在10-4～1 Hz低頻頻帶內(nèi)的均方根噪聲由1.18 μV降低為590 nV。

圖1 AD780頻域噪聲仿真結(jié)果

采用平均值電路的AD780基準(zhǔn)源在10-4～1 Hz頻帶內(nèi)均方根噪聲為590 nV,滿足微小電容檢測(cè)傳感電路在此頻帶下對(duì)電路μV級(jí)頻域噪聲的測(cè)量要求,同時(shí)其溫漂僅為3 ppm/℃,更有利于系統(tǒng)在溫度變化時(shí),基準(zhǔn)源輸出電壓的穩(wěn)定。因此選取AD780作為微小容差檢測(cè)的基準(zhǔn)源,并以此進(jìn)行實(shí)際電路的驗(yàn)證與評(píng)價(jià)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果,根據(jù)圖2在實(shí)驗(yàn)室搭建測(cè)試環(huán)境。由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境電磁環(huán)境不穩(wěn)定,同時(shí)因空氣對(duì)流帶來(lái)的溫差變化較大,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用了專用鋁制屏蔽盒對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行電磁屏蔽。為了排除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用到的設(shè)備進(jìn)行充分預(yù)熱,并充分避免了空氣對(duì)流,并在輸出處理過(guò)程中,選用測(cè)試時(shí)間居中,較為平緩處進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀[12]。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試框圖

3.1 基準(zhǔn)源對(duì)比測(cè)試

首先對(duì)AD7712原有的基準(zhǔn)源的輸出電壓進(jìn)行了測(cè)試,實(shí)驗(yàn)供電電源選用KEYSIGHT E3612A提供電源電壓,輸出結(jié)果由KEITHLEY 2002八位半電壓表進(jìn)行采集,采集速率為10 Hz,數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖3、圖4所示。AD7712自身基準(zhǔn)源的電壓基準(zhǔn)時(shí)域波動(dòng)范圍在30 μV左右,頻域電壓譜密度顯示在容差檢測(cè)傳感電路指標(biāo)要求的10 mHz頻點(diǎn)處的頻域噪聲為14 μV/Hz1/2。

圖3 AD7712內(nèi)部基準(zhǔn)源輸出時(shí)域噪聲

圖4 AD7712內(nèi)部基準(zhǔn)源輸出頻域噪聲

在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,對(duì)AD780外部基準(zhǔn)源輸出的+2.5 V電壓基準(zhǔn)進(jìn)行了12 h測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖5、圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明AD780在輸出+2.5 V直流電壓的情況下,12 h內(nèi)的電壓波動(dòng)極值約為6 μV,時(shí)域穩(wěn)定性為2.4 ppm。經(jīng)過(guò)頻域處理分析,在指標(biāo)要求10 mHz頻點(diǎn)處,AD780的頻域噪聲為1.96 μV/Hz1/2。

圖5 AD780外部基準(zhǔn)源輸出電壓時(shí)域噪聲

圖6 AD780外部基準(zhǔn)源輸出電壓頻域噪聲

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,AD780基準(zhǔn)源相較于AD7712自身的基準(zhǔn)源,其時(shí)域噪聲波動(dòng)降低為原有噪聲的1/5。在容差檢測(cè)傳感電路指標(biāo)要求的10 mHz頻點(diǎn),頻域噪聲降低了7.14倍,且在12 h內(nèi),電壓輸出較穩(wěn)定。

3.2 AD7712底噪對(duì)比測(cè)試

在AD7712原有基準(zhǔn)源的情況下,將AD7712輸入端懸空,測(cè)量AD7712高精度檢測(cè)系統(tǒng)的電路底噪如圖7、圖8所示,在時(shí)域上,電壓波動(dòng)極值為20 μV,頻域上在10 mHz頻點(diǎn)處的噪聲為1.67 μV/Hz1/2。顯然在此條件下無(wú)法滿足微小容差檢測(cè)電路在10-4～1 Hz頻帶內(nèi)對(duì)于μV級(jí)電路底噪的測(cè)試要求。

圖7 AD7712自身基準(zhǔn)源本底時(shí)域噪聲

圖8 AD7712自身基準(zhǔn)源本底頻域噪聲

將AD780基準(zhǔn)源替代原有AD7712的自身基準(zhǔn)源,在屏蔽、濾波等實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下將AD7712輸入端懸空,進(jìn)行AD7712本底噪聲的測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如圖9、圖10所示。在AD780提供外部+2.5 V電壓基準(zhǔn)時(shí),AD7712采集的時(shí)域本底噪聲波動(dòng)約為6 μV,在指標(biāo)要求的10 mHz頻點(diǎn)處,頻域噪聲為0.5 μV/Hz1/2,滿足10-4～1 Hz頻帶內(nèi)對(duì)于μV級(jí)電路底噪的測(cè)試要求。

圖9 AD7712自身基準(zhǔn)源本底頻域噪聲

圖10 AD7712自身基準(zhǔn)源本底頻域噪聲

綜上,當(dāng)AD7712使用自身基準(zhǔn)源進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),因其自身基準(zhǔn)源帶來(lái)的波動(dòng)影響,使得其自身時(shí)域本底噪聲波動(dòng)較大,從而導(dǎo)致其頻域噪聲較大,無(wú)法滿足對(duì)μV級(jí)電路底噪的測(cè)試。通過(guò)使用平均值電路優(yōu)化的AD780基準(zhǔn)源電路,進(jìn)一步提升了基準(zhǔn)源的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)AD7712不同基準(zhǔn)源條件下的對(duì)比測(cè)試,優(yōu)化后的采集系統(tǒng)的時(shí)域噪聲波動(dòng)極值約為6 μV,在指標(biāo)要求的10 MHz頻點(diǎn)處,由1.67 μV/Hz1/2降低至0.5 μV/Hz1/2,滿足頻域上μV級(jí)電路底噪的測(cè)試要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)AD780基準(zhǔn)源10-4～1 Hz低頻帶內(nèi)的噪聲進(jìn)行了仿真分析,驗(yàn)證了其在低頻范圍內(nèi)對(duì)μV級(jí)電壓檢測(cè)的能力,并采用平均值電路的形式進(jìn)一步降低了低頻帶內(nèi)噪聲。選用AD780作為微小容差檢測(cè)傳感電路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的外部基準(zhǔn)源,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,AD780輸出的基準(zhǔn)電壓在時(shí)域下達(dá)電壓波動(dòng)極值為6 μV,輸出2.5 V電壓的條件下,穩(wěn)定性為2.4 ppm。在微小容差檢測(cè)指標(biāo)要求的10 mHz頻點(diǎn)處,時(shí)域噪聲為1.96 μV/Hz1/2。對(duì)比AD7712原有基準(zhǔn)源30 μV的時(shí)域波動(dòng),14 μV/Hz1/2的頻域噪聲,在時(shí)域上提高5倍,頻域上提高7.14倍 。通過(guò)AD780提供外部基準(zhǔn),10 mHz頻點(diǎn)處噪聲分辨率為0.5 μV/Hz1/2,相較于內(nèi)部基準(zhǔn)30 μV時(shí)域波動(dòng)條件下1.67 μV/Hz1/2的噪聲分辨率,提高了3.34倍。該設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了fF級(jí)微小容差檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度,實(shí)現(xiàn)了頻域下μV級(jí)電路噪聲測(cè)試能力,為分析測(cè)試容差傳感電路的低頻噪聲特性,及提高電容傳感分辨率提供了必要條件。