微小容差检测系统中基准源的设计与应用

陈禹竺,汪龙祺,于 涛,隋延林,陈泳锟,刘 鑫,薛 科

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130000)

0 引言

高精度数据采集系统在各领域内应用广泛,它将决定系统所能达到的最终检测指标。用于微小容差检测的传感电路需要在测量频带10-4～1 Hz内,对fF级容差进行精确测量,并在时频域上具备μV级别的电路噪声的测试能力,这也就对其数据采集系统提出了极高的要求。AD7779、AD7712等∑-Δ架构的模数转换芯片在高精度采集系统中应用广泛,其中AD7712是24位的模数转换芯片,因其具有较好的动态响应与较高的采集精度从而得到大量应用。以AD7712为例,结合指标要求,在AD7712 ±2.5 V的测量范围内,需要对应电容传感共计±120 pF容差变化量程,电路整体增益需小于20 μV/fF。而由于AD7712其自身内部电压基准在时域上存在30 μV的电压波动,因此难以满足微小容差检测系统中对fF级容差变化的读出,以及传感电路在10-4～1 Hz 频带内μV级本底噪声的检测需求。本文设计一种高稳定的外部基准源用以替代AD7712内部基准,以提高系统数据采集精度,满足系统要求,为分析测试微小容差检测传感电路的低频噪声特性及提高电容传感分辨率提供必要条件[1]。

1 基准源的分类与选型应用

根据基准源的实现原理,电压基准源共分4种,分别为齐纳二极管基准源、带隙基准源、掩埋式基准源、和XFET基准源[2-3]。

齐纳二极管基准源由稳压二极管和普通二极管组成,工作时稳压管反向击穿,处于雪崩状态,此时电压具有正温度系数与正向导通的二极管的负温度系数相抵消,即可得到与温度无关的稳定电压。但由于此种设计易受到外部环境的影响,因此出现了一种掩埋式齐纳基准源。将稳压管的PN结通过工艺处理掩埋于硅半导体的下方,降低了此类基准源的温度系数,使其具有高稳定、噪声低等优点[4-6]。但其供电电压较高,工作电流大,自身功耗较大,且长期漂移指标一般,在一定程度上限制了其应用与发展。

带隙基准源是一种研究较深入且应用广泛的基准源。主要设计思路是利用一个正温度系数的电压与一个负温度系数电压进行匹配,最后得到一个不受温度变换影响的电压基准进行输出。由于带隙基准源对标准的CMOS工艺兼容性极高,因此随着相关工艺的发展,带隙基准源被更加广泛且深入的研究,并被大量应用在高精度的模数转换、数模转换及线性稳压器系统中[7-9]。

XFET基准源是利用结型场效应管的夹断电压的性质,利用其不同的夹断电压,差分得到一个稳定的基准电压。并通过电阻的正温度系数补偿结型场效应管的栅源电压,来得到一个具有零温度系数的参考电压。

结合以上分析,齐纳基准源优点在于其较好的初始精度、温度系数及噪声,但其长期稳定性不佳,且供电电压高。带隙基准源的种类较多,其性能指标也较为宽泛。总体来看是一种性能优良,价格适中的基准源[10-11]。XFET基准源在各方面性能上都处于良好水平,但其对工艺要求较高,价格昂贵,在齐纳基准源与带隙基准源性能指标覆盖性较广的情况下,XFET并不具备明显优势。

对于电压基准源的性能评价一般有温度系数、基准源噪声、长期漂移、热迟滞、导通建立时间、输入电压调整率、负载调整率等7个方面[4]。在本系统中基准源的温度稳定性和基准源噪声对性能指标影响最关键,即电压基准随着温度变化改变的程度,和基准源电压输出噪声。但一般情况下手册指标给出的是0.1～10 Hz的窄带噪声,在微小电容检测敏感的低频频带,手册中并没有给出基准源在此频带下的详细数据。

2 基准源低频噪声仿真

AD7712是一款∑-Δ架构的24位高分辨率模数转换芯片,其电压基准的稳定性决定了其采集结果的准确性。基准源波动将导致模数转换结果产生不希望的误差,因此提高用于AD7712 的基准源的稳定性,是提高系统采集精度的核心。

AD780是一款高精密的带隙基准电压源,有着良好的温度系数和较低的输出噪声。AD780共分为AD780AN/AD780AR、AD780CR、AD780BN/AD780BR 3个质量等级。各质量等级主要性能指标如表1所示,其中AD780BN/AD780BR有着0.4%的输出准确度和3 ppm/℃温度系数最优性能指标(1 ppm=10-6),更有利于采集系统数据的准确读出,和降低系统长时间工作产生的温度漂移。

表1 AD780各质量等级主要参数对比

由于相关基准源的技术手册通常只在0.1～10 Hz内给出基准源的噪声指标,而微小电容检测的传感电路在低测量频带的特殊性,在其敏感的10-4～1 Hz频带内,技术手册并没有相关数据。对AD780基准源芯片进行仿真,以获取其在10-4～1 Hz频带内的频域噪声指标,同时也为整体设计缩减设计时间和成本。选取AD780BR搭建噪声仿真电路,并选用平均值电路[12-13]进一步提高基准源输出的温度稳定性,降低基准源的热噪声。根据图1仿真结果,经计算AD780BR在10-4～1 Hz低频频带内的均方根噪声由1.18 μV降低为590 nV。

图1 AD780频域噪声仿真结果

采用平均值电路的AD780基准源在10-4～1 Hz频带内均方根噪声为590 nV,满足微小电容检测传感电路在此频带下对电路μV级频域噪声的测量要求,同时其温漂仅为3 ppm/℃,更有利于系统在温度变化时,基准源输出电压的稳定。因此选取AD780作为微小容差检测的基准源,并以此进行实际电路的验证与评价。

3 实验与分析

为了验证仿真结果,根据图2在实验室搭建测试环境。由于实验室环境电磁环境不稳定,同时因空气对流带来的温差变化较大,实验过程中采用了专用铝制屏蔽盒对实验电路进行电磁屏蔽。为了排除实验过程中环境温度对实验的影响,对实验过程中所用到的设备进行充分预热,并充分避免了空气对流,并在输出处理过程中,选用测试时间居中,较为平缓处进行数据判读[12]。

图2 实验测试框图

3.1 基准源对比测试

首先对AD7712原有的基准源的输出电压进行了测试,实验供电电源选用KEYSIGHT E3612A提供电源电压,输出结果由KEITHLEY 2002八位半电压表进行采集,采集速率为10 Hz,数据采集结果如图3、图4所示。AD7712自身基准源的电压基准时域波动范围在30 μV左右,频域电压谱密度显示在容差检测传感电路指标要求的10 mHz频点处的频域噪声为14 μV/Hz1/2。

图3 AD7712内部基准源输出时域噪声

图4 AD7712内部基准源输出频域噪声

在相同实验环境下,对AD780外部基准源输出的+2.5 V电压基准进行了12 h测试,测试结果如图5、图6所示。实验结果表明AD780在输出+2.5 V直流电压的情况下,12 h内的电压波动极值约为6 μV,时域稳定性为2.4 ppm。经过频域处理分析,在指标要求10 mHz频点处,AD780的频域噪声为1.96 μV/Hz1/2。

图5 AD780外部基准源输出电压时域噪声

图6 AD780外部基准源输出电压频域噪声

实验结果表明在相同的实验条件下,AD780基准源相较于AD7712自身的基准源,其时域噪声波动降低为原有噪声的1/5。在容差检测传感电路指标要求的10 mHz频点,频域噪声降低了7.14倍,且在12 h内,电压输出较稳定。

3.2 AD7712底噪对比测试

在AD7712原有基准源的情况下,将AD7712输入端悬空,测量AD7712高精度检测系统的电路底噪如图7、图8所示,在时域上,电压波动极值为20 μV,频域上在10 mHz频点处的噪声为1.67 μV/Hz1/2。显然在此条件下无法满足微小容差检测电路在10-4～1 Hz频带内对于μV级电路底噪的测试要求。

图7 AD7712自身基准源本底时域噪声

图8 AD7712自身基准源本底频域噪声

将AD780基准源替代原有AD7712的自身基准源,在屏蔽、滤波等实验条件相同的情况下将AD7712输入端悬空,进行AD7712本底噪声的测量,测量结果如图9、图10所示。在AD780提供外部+2.5 V电压基准时,AD7712采集的时域本底噪声波动约为6 μV,在指标要求的10 mHz频点处,频域噪声为0.5 μV/Hz1/2,满足10-4～1 Hz频带内对于μV级电路底噪的测试要求。

图9 AD7712自身基准源本底频域噪声

图10 AD7712自身基准源本底频域噪声

综上,当AD7712使用自身基准源进行数据采集时,因其自身基准源带来的波动影响,使得其自身时域本底噪声波动较大,从而导致其频域噪声较大,无法满足对μV级电路底噪的测试。通过使用平均值电路优化的AD780基准源电路,进一步提升了基准源的稳定性。通过对AD7712不同基准源条件下的对比测试,优化后的采集系统的时域噪声波动极值约为6 μV,在指标要求的10 MHz频点处,由1.67 μV/Hz1/2降低至0.5 μV/Hz1/2,满足频域上μV级电路底噪的测试要求。

4 结束语

通过对AD780基准源10-4～1 Hz低频带内的噪声进行了仿真分析,验证了其在低频范围内对μV级电压检测的能力,并采用平均值电路的形式进一步降低了低频带内噪声。选用AD780作为微小容差检测传感电路数据采集系统的外部基准源,通过实验对比分析,AD780输出的基准电压在时域下达电压波动极值为6 μV,输出2.5 V电压的条件下,稳定性为2.4 ppm。在微小容差检测指标要求的10 mHz频点处,时域噪声为1.96 μV/Hz1/2。对比AD7712原有基准源30 μV的时域波动,14 μV/Hz1/2的频域噪声,在时域上提高5倍,频域上提高7.14倍 。通过AD780提供外部基准,10 mHz频点处噪声分辨率为0.5 μV/Hz1/2,相较于内部基准30 μV时域波动条件下1.67 μV/Hz1/2的噪声分辨率,提高了3.34倍。该设计进一步提高了fF级微小容差检测数据采集系统精度,实现了频域下μV级电路噪声测试能力,为分析测试容差传感电路的低频噪声特性,及提高电容传感分辨率提供了必要条件。