微小容差檢測系統(tǒng)中基準(zhǔn)源的設(shè)計與應(yīng)用

陳禹竺,汪龍祺,于 濤,隋延林,陳泳錕,劉 鑫,薛 科

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長春 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)到的最終檢測指標(biāo)。用于微小容差檢測的傳感電路需要在測量頻帶10-4～1 Hz內(nèi),對fF級容差進(jìn)行精確測量,并在時頻域上具備μV級別的電路噪聲的測試能力,這也就對其數(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的測量范圍內(nèi),需要對應(yīng)電容傳感共計±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)在時域上存在30 μV的電壓波動,因此難以滿足微小容差檢測系統(tǒng)中對fF級容差變化的讀出,以及傳感電路在10-4～1 Hz 頻帶內(nèi)μV級本底噪聲的檢測需求。本文設(shè)計一種高穩(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,為分析測試微小容差檢測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,工作時穩(wěn)壓管反向擊穿,處于雪崩狀態(tài),此時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,即可得到與溫度無關(guān)的穩(wěn)定電壓。但由于此種設(shè)計易受到外部環(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[4-6]。但其供電電壓較高,工作電流大,自身功耗較大,且長期漂移指標(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)計思路是利用一個正溫度系數(shù)的電壓與一個負(fù)溫度系數(shù)電壓進(jìn)行匹配,最后得到一個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,差分得到一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。并通過電阻的正溫度系數(shù)補(bǔ)償結(jié)型場效應(yīng)管的柵源電壓,來得到一個具有零溫度系數(shù)的參考電壓。

結(jié)合以上分析,齊納基準(zhǔn)源優(yōu)點在于其較好的初始精度、溫度系數(shù)及噪聲,但其長期穩(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。總體來看是一種性能優(yōu)良,價格適中的基準(zhǔn)源[10-11]。XFET基準(zhǔn)源在各方面性能上都處于良好水平,但其對工藝要求較高,價格昂貴,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。

對于電壓基準(zhǔn)源的性能評價一般有溫度系數(shù)、基準(zhǔn)源噪聲、長期漂移、熱遲滯、導(dǎo)通建立時間、輸入電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率等7個方面[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。但一般情況下手冊指標(biāo)給出的是0.1～10 Hz的窄帶噪聲,在微小電容檢測敏感的低頻頻帶,手冊中并沒有給出基準(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個質(zhì)量等級。各質(zhì)量等級主要性能指標(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)長時間工作產(chǎn)生的溫度漂移。

表1 AD780各質(zhì)量等級主要參數(shù)對比

由于相關(guān)基準(zhǔn)源的技術(shù)手冊通常只在0.1～10 Hz內(nèi)給出基準(zhǔn)源的噪聲指標(biāo),而微小電容檢測的傳感電路在低測量頻帶的特殊性,在其敏感的10-4～1 Hz頻帶內(nèi),技術(shù)手冊并沒有相關(guān)數(shù)據(jù)。對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),同時也為整體設(shè)計縮減設(shè)計時間和成本。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,滿足微小電容檢測傳感電路在此頻帶下對電路μV級頻域噪聲的測量要求,同時其溫漂僅為3 ppm/℃,更有利于系統(tǒng)在溫度變化時,基準(zhǔn)源輸出電壓的穩(wěn)定。因此選取AD780作為微小容差檢測的基準(zhǔn)源,并以此進(jìn)行實際電路的驗證與評價。

3 實驗與分析

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

圖2 實驗測試框圖

3.1 基準(zhǔn)源對比測試

首先對AD7712原有的基準(zhǔn)源的輸出電壓進(jìn)行了測試,實驗供電電源選用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)時域波動范圍在30 μV左右,頻域電壓譜密度顯示在容差檢測傳感電路指標(biāo)要求的10 mHz頻點處的頻域噪聲為14 μV/Hz1/2。

圖3 AD7712內(nèi)部基準(zhǔn)源輸出時域噪聲

圖4 AD7712內(nèi)部基準(zhǔn)源輸出頻域噪聲

在相同實驗環(huán)境下,對AD780外部基準(zhǔn)源輸出的+2.5 V電壓基準(zhǔn)進(jìn)行了12 h測試,測試結(jié)果如圖5、圖6所示。實驗結(jié)果表明AD780在輸出+2.5 V直流電壓的情況下,12 h內(nèi)的電壓波動極值約為6 μV,時域穩(wěn)定性為2.4 ppm。經(jīng)過頻域處理分析,在指標(biāo)要求10 mHz頻點處,AD780的頻域噪聲為1.96 μV/Hz1/2。

圖5 AD780外部基準(zhǔn)源輸出電壓時域噪聲

圖6 AD780外部基準(zhǔn)源輸出電壓頻域噪聲

實驗結(jié)果表明在相同的實驗條件下,AD780基準(zhǔn)源相較于AD7712自身的基準(zhǔn)源,其時域噪聲波動降低為原有噪聲的1/5。在容差檢測傳感電路指標(biāo)要求的10 mHz頻點,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底噪對比測試

在AD7712原有基準(zhǔn)源的情況下,將AD7712輸入端懸空,測量AD7712高精度檢測系統(tǒng)的電路底噪如圖7、圖8所示,在時域上,電壓波動極值為20 μV,頻域上在10 mHz頻點處的噪聲為1.67 μV/Hz1/2。顯然在此條件下無法滿足微小容差檢測電路在10-4～1 Hz頻帶內(nèi)對于μV級電路底噪的測試要求。

圖7 AD7712自身基準(zhǔn)源本底時域噪聲

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、濾波等實驗條件相同的情況下將AD7712輸入端懸空,進(jìn)行AD7712本底噪聲的測量,測量結(jié)果如圖9、圖10所示。在AD780提供外部+2.5 V電壓基準(zhǔn)時,AD7712采集的時域本底噪聲波動約為6 μV,在指標(biāo)要求的10 mHz頻點處,頻域噪聲為0.5 μV/Hz1/2,滿足10-4～1 Hz頻帶內(nèi)對于μV級電路底噪的測試要求。

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,因其自身基準(zhǔn)源帶來的波動影響,使得其自身時域本底噪聲波動較大,從而導(dǎo)致其頻域噪聲較大,無法滿足對μV級電路底噪的測試。通過使用平均值電路優(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。通過對AD7712不同基準(zhǔn)源條件下的對比測試,優(yōu)化后的采集系統(tǒng)的時域噪聲波動極值約為6 μV,在指標(biāo)要求的10 MHz頻點處,由1.67 μV/Hz1/2降低至0.5 μV/Hz1/2,滿足頻域上μV級電路底噪的測試要求。

4 結(jié)束語

通過對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,驗證了其在低頻范圍內(nèi)對μV級電壓檢測的能力,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作為微小容差檢測傳感電路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的外部基準(zhǔn)源,通過實驗對比分析,AD780輸出的基準(zhǔn)電壓在時域下達(dá)電壓波動極值為6 μV,輸出2.5 V電壓的條件下,穩(wěn)定性為2.4 ppm。在微小容差檢測指標(biāo)要求的10 mHz頻點處,時域噪聲為1.96 μV/Hz1/2。對比AD7712原有基準(zhǔn)源30 μV的時域波動,14 μV/Hz1/2的頻域噪聲,在時域上提高5倍,頻域上提高7.14倍 。通過AD780提供外部基準(zhǔn),10 mHz頻點處噪聲分辨率為0.5 μV/Hz1/2,相較于內(nèi)部基準(zhǔn)30 μV時域波動條件下1.67 μV/Hz1/2的噪聲分辨率,提高了3.34倍。該設(shè)計進(jìn)一步提高了fF級微小容差檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度,實現(xiàn)了頻域下μV級電路噪聲測試能力,為分析測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。