电源工程师设计札记:轻松完成电源设计

电源设计对于每个工程师来说都会有点熟悉而又陌生的感觉。如何有效攻克电源设计中遇到的疑难杂症？加强工程师之间沟通，充分利用工程师的设计心得是其中一个有效途径。基于此，电子发烧友网将电子发烧友网读者奉上《电源工程师设计札记》系列大餐，之后还将会推出相关电子书，敬请留意！

　　1、如何使过压过流电路保护设计更轻松？

　　对于大型的控制电路，比如LED灯塔的电源控制线路，其保护以及维修都是一个比较复杂的工程。使用TBU方案，是否可以使过压过流电路保护解决方案设计更轻松呢？

　　本文从传统的保护元器件入手，对比传统过流过压保护元器件和TBU方案的工作方式，深度解析TBU与传统过压过流电路保护元件的区别及其应用限制，为广大电子工程师探索过压过流电路保护方案轻松设计之道。

　　保护元器件的分类

　　保护电子元器件主要分成两大块，如图所示，一块是过流保护，一块是过压保护。

　　相对过压的保护元件，过流的保护元件主要分成图示上部分的几块，右边的元件反应速度快，但通流量较小，而左边的元件相反，所以需要做一些搭配。主要是整合器的元器件，如TBU。TBU把过流和过压的元器件组合在一起，可同时进行过流和过压保护。

　　传统过流和过压保护元器件的组合和工作方式

　　下图是最常见的组合图，可以看出怎样把过流和过压保护元器件放在一般的线路上。

　　过流的产品一定是串联在电路上，包含一般电阻或电压。而过压的产品主要并联在电路上，包含一级压、二级压、三级压。类似TBS管等，二级和三级基本可以互换，关键是怎样做搭配，保护系统的协调工作非常重要。

　　按传统的方式，当一个雷击进来之后，首先上升的一定是电压，一定是内部靠近IC部分的保护器件最先反应，若没有反应，内部线路肯定会被击穿；或TBS管一定要运作，作为开关直接关闭。

　　举例来说，由于过电压产品最怕电流质，而过电流产品最怕电压，当TBS打开之后，所有的电流都会往一边流。若出现一个很大的雷击，这个TBS管一定会被击穿。所以必须要在外面摆上一个气体管，来保护这个TBS管。当电流经过这个管后，其电压会持续上升，靠近外面的气体放电管，必须要在动作之后才能保护 TBS管。一般来讲，PDC的速度非常慢，所以单个雷击进来之后PDC没有办法动作。

　　TBU是近十年一个比较新的产品，是高速的保护器，也可以说是一个电子的限流器。现在来看看TBU的工作方式与传统过压过流保护元器件有何不同。

　　TBU的工作方式

　　传统电子保险丝的内部结构

　　TUB的内部结构图

　　与传统的双向保险丝结构相比，TUB最重要的差异是电压部分。传统保险丝的工作方式是把电流导到地的方式，而TBU方式主要是用隔离的方式。雷击进来之后电流经过内部的IC去走，当电流超过触发点之后，TBU就会打开，TBU打开之后所有的能量都是隔绝在外，这时候电压还是会持续上升。在外部放一个气体管保护TBU。由于过电流产品最怕是电压。而TBU是过电流产品，假设选择的是一个850v的TBU，必须确定线路偷走的电压值不能够超过850v，所以必须在外部再摆一个气体放电管去保护TBU，这点与传统的方式有所区别。事实上两种应用方式的区别是后者做了开关，把能量全部阻绝在外面。

　　把TBU放入电路之后，电流会上升，这时候TBU就要打开，阻绝到电流跟电压，电路就被保护。当电压上升之后，因为其反应速度非常快，代表电流也上升，TBU动作之后会阻绝电压与电流的部分。TBU是电流启动电压回复的元件。当TBU没有动作的时候，如同电阻；电流超过之后，开关直接打开，承接高阻；当电压回复之后，TBU回复原本工作状态。

2、如何选择开关电源拓扑结构

　　电源是电子产品中必不可少的一部分，现在逐渐流行开关电源，其拓扑结构有很多种。下面就个人了解，罗列一些（不一定全）供大家参考。首先要明确您的产品中电源部分是否要与输入电源隔离。

　　对于不隔离式开关电源，大体上有降压（buck）、升压（boost）、极性反转（负输出，降升压buck-boost）、斩波（cuck）3种类型。对于隔离式开关电源，分正激、反激、半桥、全桥、推挽5种类型。

　　先说不隔离式：

　　降压（buck）型原理如下图所示，前半周期Q1导通向C供电同时L1储能，后半周期D1导通L1放能向C供电。

　　升压（boost）型原理如下图所示，前半周期Q1导通L1储能，后半周期D1导通L1放能与V1串连向C1供电。

　　极性反转型原理如下图所示，前半周期Q1导通L1储能，后半周期D1导通L1放能向C1供电。

　　若输入电压大于工作电压，则选用降压型，反之选择升压型。若单电源输入，需要+、-电源时选用极性反转型。

　　再说隔离式：若输出功率较小（100W以下）常用反激式；若功率稍大，可选用正激式；再大就要采用半桥或全桥式了。

　　反激式是磁性元件在前半周储能，后半周期传递能量。并关管要承受电源电压与反激电压之和，一般220V整流后要用700V左右的功率管。

　　正激式是在前半周期直接传递能量，后半周期泄放磁场。若磁场泄放不掉，则后面的周期中会因磁饱和而烧毁功率器。

　　全桥式是有4个功率器件，能够让变压器原边电流来回流动，在每半个周期都传递能量，所以能做到较大功率。

　　半桥式是全桥式的简化，它将一个桥臂上的功率器件换成电容，节约了一半数量的功率器件，且功率器件上承受的电压也减半，故降低了成本。

　　升压变换中多采用推挽式，因原边电压较低，绕组匝数少，绕成双原边也不增加多少成本，双绕组又能增加功率，故是广泛采用的方式。

　　3、多电源系统的监控和时序控制

　　现今，电子系统往往具有许多不同的电源轨。在采用模拟电路和微处理器、DSP、ASIC、FPGA的系统中，尤其如此。为实现可靠、可重复的操作，必须监控各电源电压的开关时序、上升和下降速率、加电顺序以及幅度。既定的电源系统设计可能包括电源时序控制、电源跟踪、电源电压/电流监控和控制。有各种各样的电源管理IC可以执行时序控制、跟踪、上电和关断监控等功能。

　　时序控制和跟踪器件可以监控和控制多个电源轨，其功能可能包括设置开启时间和电压上升速率、欠压和过压故障检测、余量微调（在标称电压值的一定范围内调整电源电压）以及有序关断。适合这些应用的IC种类众多，简单的如利用电阻、电容和比较器构成的纯模拟器件，复杂的如高集成度状态机和通过 I2C bus.总线进行数字控制的可编程器件。某些情况下，系统的电压调节器和控制器可能包括关键控制功能。

　　对于采用多个开关控制器和调节器的系统，还有一个考虑是器件以不同开关频率工作时，如何将产生的系统噪声降至最低。常常需要同步调节器的时钟，事实上，如今的许多高性能开关控制器和调节器都可以与外部时钟同步。

　　图1. 电源轨的控制类型

电源时序 [p] 控制和跟踪

　　所谓电源时序控制，是指以指定顺序开关电源。电源时序控制可以简单地基于既定的时间顺序，或者一个电源的开启时间取决于另一个电源何时达到设定的阈值。电源跟踪基于这样一个事实：电源电压无法（一般也不应）瞬间改变。电源系统设计师可以利用这一特性，有效地控制系统中各电源相对于其它电源的斜率。电源跟踪分为三类：同步、比率和偏移。图1中的四幅图对时序控制、同步跟踪、比率跟踪和偏移跟踪进行了比较。

　　图1a中，三个电源按一定的时间顺序开启和关闭。首先是3.3 V电源开启，后续电源的开启和关闭延迟时间取决于应用的需要。如果额定最大值要求电源按一定的顺序激活，这种简单的时序控制技术将能确保有源器件的电压不会超过额定最大值。举例来说，在ADC驱动的放大器上电之前，我们必须保证ADC的电源存在，否则可能损坏ADC的前端。

　　图1b显示同步跟踪情况，所有三个电源同时开启，并且以相同的速率彼此跟踪，因此最低电源电压首先建立，然后是较高的电源电压。电源关断以相反的方式进行。这个例子很好地说明了旧式FPGA或微处理器应用中电源是如何接通的：首先激活较低的内核电压，然后接通辅助或I/O电源。稍后将以Xilinx Virtex-5 FPGA的同步跟踪举例说明。

　　图1c中，电源以不同的斜率上电。如前所述，能够对电源的斜率dV/dt进行控制是一个非常有用的特性，它可以防止电路中去耦电容的大浪涌电流（充电电流）损坏器件。如果不加限制的话，浪涌电流可能大大超过标称工作电流。斜率限制可以防止有源器件闩锁、电容短路、PCB走线受损以及线路保险丝熔断。

　　图1d中，所有电源具有相同的斜率，但其施加时间由预定的失调电压决定。此类跟踪适用于需要限制电源电压差（常常出现在DAC和ADC等混合信号器件的额定最大值部分）的器件，这种方法可以防止器件永久性受损。

　　基于FPGA的设计示例

　　使用FPGA系统的供电是探讨多电源系统处理的活教材。适当的FPGA电源控制对于实现可靠、可重复的设计至关重要，否则可能会在实验室甚至现场引发灾难性故障。大多数FPGA具有多个电源轨，一般表示为 VCCO， VCCAUX， 和 VCCINT. 这些电源分别用于为FPGA内核、辅助电路（如时钟和PLL等）、接口逻辑供电。

　　这些电源轨需要考虑的事项可以分为如下几类：

　　电源轨的时序控制

　　电源轨电压的容差要求

　　电源可能有软启动或斜率控制需求

　　下面以Xilinx Virtex-5系列FPGA的电源要求为例来说明，该系列提供许多特性，包括逻辑可编程能力、信号处理和时钟管理。根据数据手册，Virtex-5的电源上电顺序要求为 VCCINT， VCCAUX， and VCCO. 这些电源相对于地的斜坡时间为200 μs（最小值）至50 ms（最大值）。建议工作条件如表1所示。

　　　　The 如前所述，Virtex-5要求同步电压跟踪。此外，电源必须在特定的建议工作容差范围内，而且必须在特定的dV/dt范围内上升和下降。

　　But the 但是，FPGA只是一个较大系统的一部分。为了进一步阐明本例，假设有一个高电流、5 V主系统电源轨。为FPGA内核供电的1 V电源具有±5% （±50 mV）的容差，需要提供最高4 A的电流。3 V电源为通用逻辑电源，具有±5%的容差，在本例中需要提供4 A电流以便为FPGA I/O和设计中的其它逻辑器件供电。2.5 V电源为模拟电源，需要提供低噪声的100 mA电流。

　　针对此应用，利用双通道降压控制器ADP1850提供1 V和3 V高电流电源是一个很好的解决方案。ADP1850具有许多特性，其中包括：软启动控制、同步跟踪以及主从电源时序控制。上电时的上升速率由SS1和SS2引脚上的电容控制。本例中，3 V数字电源是主电源。针对2.5 V模拟电源，超低噪声 低压差调节器（LDO） ADP150是绝佳选择，它可以利用ADP1850的PGOOD2信号进行时序控制。图2为该系统的简化框图，显示了时序控制的一般流程，详情参见ADP1850数据手册。

　　图2. Virtex-5的电源系统

　　上例说明了时序控制和跟踪的常见使用方式，可以将其扩展到当今的许多多电源系统，包括基于微处理器的系统和涉及混合信号技术（ADC和DAC）的系统。

　　模拟电压和电流监控（ADM1191）

　　针对要求精密监控多个系统电源电流和电压的高可靠性应用，可以使用简单易行的模拟监控电路。例如， 数字电源监控器，ADM1191 提供1%的测量精度，包括一个用于电流和电压回读的12位ADC、一个精密电流检测放大器以及一路用于提供过流中断的ALERTB输出。图3显示了ADM1191结合一个主控制器（如微处理器或微控制器等）的应用。

　　图3. 简单的电源电压和电流监控器

　　ADM1191通过 I2C 总线与主控制器通信。通过配置A0和A1引脚的逻辑输入电平，同一系统最多可以支持16个器件的寻址。本地控制器可以将测得的电压与电流相乘，从而计算电源轨的功耗。发生过流状况时，ALERTB信号通过一个中断快速通知控制器，这个关于故障状况的快速报警可以帮助保护系统免遭损坏。

　　时序控制和监控的结合

　　大型固定系统，甚至某些高性能插卡，具有许多需要控制和监控的电源轨。图4涉及到一个具有8个电源轨的复杂电源系统的控制。系统的核心是ADM1066它是一款灵活的高集成度超级电源时序控制器Super Sequencer 可提供完整的电源控制功能，特性包括时序控制、监控、余量微调和编程能力。ADM106x系列中的其它器件还具有温度监控和看门狗功能。

　　图4. 8轨电源系统的控制

　　8轨系统具有三个主电源轨：12 V、5 V和3 V。其它电源轨则是利用开关调节器和LDO从这些主电源轨产生。每个调节器具有一路使能输入，它由ADM1066的10路可编程驱动器（PD）输出之一驱动，因此用户可以按照一定的受控顺序使所有电源轨上电。ADM1066具有一个片上电荷泵，可以提升6路PD输出电压以提供外部N-MOSFET的高驱动电压；当需要控制更高电压的电源时，外部N-MOSFET用作电源轨开关。

　　ADM1066具有片上EEPROM，用以存储电源系统控制参数。ADI公司的实用程序为器件配置提供了便利，大大简化了上电和运行任务，消除了费时的代码开发工作。当系统进一步发展，以及有新器件加入设计时，可以轻松调整电源序列。时序参数和电压跳变点很容易重新编程。这个功能非常有用，可以节省开发时间，降低电路板开发可能延误的风险

　　数字输出信号——PWRGD（电源良好）、VALID和SYSRST（系统恢复）——由ADM1066在轮询时产生，或者通过中断/数字输入提供，以便将电源系统的状态告知系统微控制器，从而在发生故障时能够采取措施。这种快速通知可以防止电容短路和其它危险状况引发灾难性损害。PWR_ON和/RESET是从系统控制器到ADM1066的数字输入，用以形成完整的系统控制环路。
利用ADM1066进行电源余量微调

　　在系统开发期间，当设计工程师需要调整电源电压以优化其电平或使其偏离标称值时，可以使用ADM1066的片内DAC来执行电源余量微调。利用这种余量微调特性，可以在电源限制范围内对系统进行全面特性测试，而不需要使用外部仪器。该功能通常是在在线测试（ICT）期间执行，例如：当制造商希望保证受测产品能够在标称电源电压±5%的范围内正常工作时。基于图4所示的电路，用户可以在许多电源轨上实现余量微调。

　　开环电源余量微调

　　对DC/DC转换器或LDO等电源进行余量微调的最简单方法，是将额外电阻切换到电源模块的反馈节点中，以改变反馈或调整节点的电压，从而利用DAC迫使输出电压上调或下调所需的幅度。采用这种衰减器（图5）时，可以通过SMBus更新相关DAC输出的值，从而远程命令ADM11066执行电源余量微调。该过程可以利用独立于系统控制环路的开环技术实现。

　　图5. 开环余量微调

　　ADM1066最多可以为6个电源执行开环余量微调，它利用6个片上电压输出DAC（DAC1至DAC6）驱动要微调的电源模块的反馈引脚。实现这一功能的最简单电路是利用一个衰减电阻（R3），将DACx引脚连接到DC/DC转换器的反馈节点。当DACx输出电压设定为与反馈电压相等时，无电流流入衰减电阻，DC/DC转换器的输出电压不发生变化。当DACx输出电压高于反馈电压时，电流流[p] [p] 4. ADP2138/ADP2139典型应用电路

　　图 5. ADP2138的效率：（a） 连续 PWM模式；（b） PSM模式

　降压调节器提高效率

　　电池的续航时间是新型便携式设备设计高度关注的一个特性。提高系统效率可以延长电池工作时间，降低更换或充电的频度。例如，一个锂离子充电电池可以使用ADP125 LDO以 0.8 V电压驱动一个 500 mA负载，如图 6 所示。该LDO的效率只有 19% （VOUT/VIN × 100% = 0.8/4.2 × 100%）。LDO无法存储未使用的能量，因此剩余的 81%的功率（1.7 W）只能以热量形式在LDO内部耗散掉，这可能会导致手持式设备的温度迅速上升。如果使用ADP2138 开关调节器，在 4.2 V输入和 0.8 V输出下，工作效率将是 82%，比前一方案的效率高出 4 倍多，便携式设备的温度升幅将大大减小。这些系统效率的大幅改善使得开关调节器大量运用于便携式设备。

　　降压转换器关键规格和定义

　　输入电压范围：降压转换器的输入电压范围决定了最低的可用输入电源电压。规格可能提供很宽的输入电压范围，但VIN 必须高于VOUT才能实现高效率工作。例如，要获得稳定的 3.3 V输出电压，输入电压必须高于 3.8 V。

　　地电流或静态电流：IQ是未输送给负载的直流偏置电流。器件的IQ越低，则效率越高。然而，IQ可以针对许多条件进行规定，包括关断、零负载、PFM工作模式或PWM工作模式。因此，为了确定某个应用的最佳降压调节器，最好查看特定工作电压和负载电流下的实际工作效率数据。

　　关断电流： 这是使能引脚禁用时器件消耗的输入电流，对低功耗降压调节器来说通常远低于 1μA。这一指标对于便携式设备处于睡眠模式时电池能否具有长待机时间很重要。

　　输出电压精度： ADI 公司的降压转换器具有很高的输出电压精度，固定输出器件在工厂制造时就被精确调整到±2%之内（25°C）。输出电压精度在工作温度、输入电压和负载电流范围条件下加以规定，最差情况下的不精确性规定为±x%。

　　线路调整率： 线路调整率是指额定负载下输出电压随输入电压变化而发生的变化率。

　　负载调整率： 负载调整率是指输出电压随输出电流变化而发生的变化率。对于缓慢变化的负载电流，大多数降压调节器都能保持输出电压基本上恒定不变。

　　负载瞬变：如果负载电流从较低水平快速变化到较高水平，导致工作模式在 PFM 与 PWM 之间切换，或者从 PWM 切换到 PFM，就可能产生瞬态误差。并非所有数据手册都会规定负载瞬变，但大多数数据手册都会提供不同工作条件下的负载瞬态响应曲线。

　　限流：ADP2138 等降压调节器内置保护电路，限制流经 PFET 开关和同步整流器的正向电流。正电流控制限制可从输入端流向输出端的电流量。负电流限值防止电感电流反向并流出负载。

　　软启动：内部软启动功能对于降压调节器非常重要，它在启动时控制输出电压缓升，从而限制浪涌电流。这样，当电池或高阻抗电源连接到转换器输入端时，可以防止输入电压下降。器件使能后，内部电路开始上电周期。

　　启动时间是指使能信号的上升沿至VOUT达到其标称值的 90%的时间。这个测试通常是在施加VIN、使能引脚从断开切换到接通的条件下进行。在使能引脚连接到VIN的情况下，当VIN从关断切换到开启时，启动时间可能会大幅增加，因为控制环路需要一定的稳定时间。在调节器需要频繁启动和关闭以节省功耗的便携式系统中，调节器的启动时间是一个重要的考虑因素。

　　热关断（TSD）： 当结点温度超过规定的限值时，热关断电路就会关闭调节器。极端的结温可能由工作电流高、电路板冷却不佳或环境温度高等原因引起。保护电路包括一定的迟滞，防止器件在芯片温度降至预设限值以下之前返回正常工作状态。

　　100%占空比工作： 随着VIN下降或ILOAD上升，降压调节器会达到一个限值：即使PFET开关以 100%占空比导通，VOUT仍低于预期的输出电压。此时，ADP2138 平滑过渡到可使PFET 开关保持 100%占空比导通的模式。当输入条件改变时，器件立即重新启动PWM调节，VOUT不会过冲。

　　放电开关： 在某些系统中，如果负载非常小，降压调节器的输出可能会在系统进入睡眠模式后的一定时间内仍然保持较高水平。然而，如果系统在输出电压放电之前启动上电序列，系统可能会发生闩锁，或者导致器件受损。当使能引脚变为低电平或器件进入欠压闭锁/热关断状态时，ADP2139 降压调节器通过集成的开关电阻（典型值 100 Ω）给输出放电。

　　欠压闭锁： 欠压闭锁（UVLO）可以确保只有在系统输入电压高于规定阈值时才向负载输出电压。UVLO 很重要，因为它只在输入电压达到或超过器件稳定工作要求的电压时才让器件上电。

　　结束语

　　低功耗降压调节器使开关DC-DC转换器设计不再神秘。ADI 公司提供一系列高集成度、坚固耐用、易于使用、高性价比的降压调节器，只需极少的外部元件就能实现高工作效率。

　　5、同步降压调节器ADP2118的简单应用

　　伴随着许多低功耗器件的应用，越来越多的降压调节器芯片很受电子工程师们的亲睐，在这里我向大家推荐一款我用过的同步降压调节器芯片ADP2118，具有低静态电流、同步、降压DC-DC调节器，特别是其4mm×4mm的LFCP封装，对于现在的产品要求小型化，更是特别的适合。

　　ADP2118采用2.3V至5.5V输入电压工作，输出电压可以在0.6V至输入电压Vin的范围内灵活调整。另外，ADP2118提供许多固定输出的，比如3.3V，2.5V等常用的低电压，只需在输入和输出端增加滤波电路就行，应用很简单的。下面我还是从5V转换为3.3V的典型电路上分析一下ADP2118的应用：

　　从以上连接我们可以看出，ADP2118的外围电路非常简单，输入电压为5V，输出电压3.3V通过分压电阻R10和R11得到。作为同步降压型调节器，ADP2118的引脚：

　　Pin1为同步输入引脚，当此引脚与VIN相连时，PFM模式禁用，ADP2118仅工作在电流连续导通模式，此引脚与地连接时，PFM模式使能；

　　Pin2为频率选择，当连接至GND选择600Hz，连接至VIN时选择1.2MHz；

　　Pin3为跟踪输入，要跟踪主电压，从主电压的分压器引出电压来驱动TRK，如果不跟踪，就直接连接至VIN；

　　作为常用的电路，我们选择ADP2118工作在电流连续导通模式，工作频率为1.2MHz，不采用跟踪模式，故直接连接将Pin1、Pin2和Pin3至VIN引脚；

　　ADP2118的其余引脚，根据定义去连接，记得连接上输出电感和滤波电容哦。由于ADP2118根据负载的大小决定工作模式，当轻载时切换到PFM模式，中载至满载时切换到电流连续导通模式。经过测试，发现PFM模式下ADP2118输出电压的纹波远大于PWM模式下输出电压，故推荐使用PWM模式，即典型电路连接方式。

　　最后，也是ADP2118的特色，集成有软启动，用于限制输出电压上升时间并减少启动时的浪涌电流，软启动的固定时间周期为2048个时钟周期。

　　以上是我在应用ADP2118时的某些发现，希望能给大家的电源芯片选择方面带来某些帮助，将感到无比欣慰。谢谢！

　　6、用20位DAC实现1 ppm精度——精密电压源

　　高分辨率数模转换器（DAC）的常见用途之一是提供可控精密电压。分辨率高达20位、精度达1 ppm且具有合理速率的DAC的应用范围包括医疗MRI系统中的梯度线圈控制、测试和计量中的精密直流源、质谱测定和气谱分析中的精密定点和位置控制以及科学应用中的光束检测。

　　随着时间的推移，半导体处理和片内校准技术的发展，关于精密集成电路DAC的定义也不断变化。高精度12 位DAC一度被认为遥不可及；近年来，16 位精度已日益在精密医学、仪器仪表、测试和计量应用中得到广泛运用；在未来，控制系统和仪器仪表系统甚至需要更高的分辨率和精度。

　　高精密应用目前要求18/20位、1 ppm精度数模转换器，以前只有笨重、昂贵、慢速的Kelvin-Varley分压器才能达到这一性能水平——属于标准实验室的专利，几乎不适用于现实仪器仪表系统。针对这类要求且采用IC DAC组件，更便利的半导体1 ppm 精度解决方案已推出数年，但此类复杂系统需要使用多种器件，需要不断进行校准，还需十分谨慎才可取得理想精度，而且体积大、成本高（见附录）。长久以来，精密仪器仪表 [p] 市场都需要一种更简单，具有成本优势，无需校准或持续监控，简单易用，而且提供保证性能规格的DAC。目前，从16 位和18 位单芯片转换器（如DAC）自然升级已成为可能。

　　AD5791 1 ppm DAC

　　半导体处理技术、DAC架构设计和快速片内校准技术的发展使稳定、建立时间短的高线性度数模转换器成为可能。这种转换器可提供高优于1 ppm的相对精度、0.05 ppm/°C温度漂移、0.1 ppm p-p噪声、优于1 ppm的长期稳定性和1MHz吞吐量。这类小型单芯片器件保证性能规格，无需校准且简单易用。AD5791及其配套基准电压源和输出缓冲的典型功能框图如图1所示。

　　图1. AD5791典型工作框图。

　　AD5791是一款单芯片、20 位、电压输出数模转换器，具有额定的1 LSB（最低有效位）积分非线性度（INL）和微分非线性度（DNL），是业界首款单芯片1 ppm 精度的数模转换器（1 LSB@20位为220分之一 =1，048，576分之一 = 1 ppm）。该器件设计用于高精密仪器仪表以及测试和计量系统，与其他解决方案相比，其整体性能有较大提升，具有更高的精度、体积更小、成本更低，使以前不具经济可行性的仪器仪表应用成为可能。

　　其设计（如图2所示）采用精密电压模式R-2R架构，利用了最新的薄膜电阻匹配技术，并通过片内校准例程来实现1 ppm精度。由于AD5791采用工厂校准模式，因而运行时无需校准程序，其延迟不超过100 ns，可用于波形生成应用及快速控制环路。

　　图2. DAC梯形结构。

　　AD5791不但提供出色的线性度，而且可具有9 nV/√Hz噪声密度、0.1 Hz至10 Hz频带内0.6 μV峰峰值噪声、0.05 ppm/°C温度漂移，且其1000小时长期稳定性优于0.1 ppm。

　　作为一种高电压器件，采用双电源供电，最高±16.5 V。输出电压范围由正负基准电压VREFP和VREFN决定，提供了灵活的输出范围选择。

　　AD5791所用精密架构要求使用高性能外置放大器来缓冲来自3.4 k DAC电阻的基准源，为基准输入引脚的加载感应提供方便，以确保AD5791的1 ppm线性度。AD5791需要一个输出缓冲来驱动负载，以减轻3.4 k 输出阻抗的负担——除非驱动的是一个极高阻抗、低电容负载——或者衰减处于容限之内并可预测。

　　由于放大器为外置型，可根据噪声、温度漂移和速度的优化需要进行选择——并可调整比例因子——具体视应用需要而定。对于基准缓冲，建议采用AD8676 双通道放大器，其具有低噪声、低失调误差、低失调误差漂移和低输入偏置电流的特点。基准缓冲的输入偏置电流特性非常重要，因为过大的偏置电流会降低直流线性度。积分非线性度的降低（单位：ppm）为输入偏置电流的函数，一般表示为：

　　其中，IBIAS 单位为 nA；VREFP和VREFN的单位均为伏特。例如，对于±10 V的基准输入范围，100 nA的输入偏置电流将使INL提高0.05 ppm。