反馈式超高精度电压源.pdf

本发明涉及一种电压源，具体涉及一种超1ppm反馈式超高精度电压源，它包括高一致性正负电源、主DAC、闭环模拟信号处理电路，高一致性正负电源的正电压输出端和负电压输出端均与主DAC、闭环模拟信号处理电路的一个输入端连接；主DAC的输出端与闭环模拟信号处理电路的另一个输入端连接；高一致性正负电源把外部输入的正负电压转换为高一致性的正负电压给主DAC、闭环模拟信号处理电路供电；主DAC是整个电压源的电压输出源头，外部控制信号驱动主DAC输出电压；主DAC输出电压经过闭环模拟信号处理电路处理后最终输出高精度电压。该电压源结构简单，成本低，无需校准或持续监控，简单易用。

权利要求书一种反馈式超高精度电压源，其特征在于：它包括高一致性正负电源(11)、主DAC(12)、闭环模拟信号处理电路(2)，高一致性正负电源(11)的正电压输出端和负电压输出端均与主DAC(12)、闭环模拟信号处理电路(2)的一个输入端连接；主DAC(12)的输出端与闭环模拟信号处理电路(2)的另一个输入端连接；高一致性正负电源(11)把外部输入的正负电压转换为高一致性的正负电压给主DAC(12)、闭环模拟信号处理电路(2)供电；主DAC(12)是整个电压源的电压输出源头，外部控制信号驱动主DAC(12)输出电压；主DAC(12)输出电压经过闭环模拟信号处理电路(2)处理后最终输出高精度电压。
根据权利要求1所述的一种反馈式超高精度电压源，其特征在于：所述的闭环模拟信号处理电路(2)包括模拟信号处理电路(21)、模拟加法器和模拟缓冲器电路(22)、A/D变换器(23)、MCU(24)、从DAC(25)，主DAC(12)的输出端与模拟信号处理电路(21)的输入端连接，模拟信号处理电路(21)的输出端与模拟加法器和模拟缓冲器电路(22)的一个输入端连接；模拟加法器和模拟缓冲器电路(22)的输出端一次与A/D变换器(23)、MCU(24)、从DAC(25)连接；从DAC(25)的输出端与模拟加法器和模拟缓冲器电路(22)的另一个输入端连接；高一致性正负电源(11)的正电压输出端和负电压输出端均与主DAC(12)、从DAC(25)的一个输入端连接；闭环模拟信号处理电路(2)中的模拟信号处理电路(21)增强主DAC(12)输出的模拟信号的信噪比、并对主DAC(12)输出的模拟信号进行放大；经过模拟信号处理电路(21)的电压信号输入模拟加法器和模拟缓冲器电路(22)中；经过模拟加法器和模拟缓冲器电路(22)处理的电压信号为电压源的输出电压信号；通过A/D变换器(23)采集加法器和模拟缓冲器电路(22)的输出电压，将加法器和模拟缓冲器电路(22)输出的模拟电压信号转变为数字电压信号；A/D变换器(23)的数字电压信号输出给(MCU24)，(MCU24)将A/D变换器(23)输出的数字信号处理后输入到从DAC(25)中控制从DAC(25)输出电压信号；从DAC(25)输出的电压信号在模拟加法器和模拟缓冲器电路(22)中与模拟信号处理电路(21)输出的模拟信号进行模拟加法运算，最终由模拟加法器和模拟缓冲器电路(22)将进行模拟加法运算后的高精度模拟电压缓冲输出。
根据权利要求2所述的一种反馈式超高精度电压源，其特征在于：所述的主DAC(12)还与第一具有偏移补偿电路的运算放大器(A1)、第二具有偏移补偿电路的运算放大器(A2)连接，所述的从DAC(25)还与第三具有偏移补偿电路的运算放大器(A3)、第四具有偏移补偿电路的运算放大器(A4)连接；第一具有偏移补偿电路的运算放大器(A1)、第二具有偏移补偿电路的运算放大器(A2)用于在主DAC(12)电压输入端形成电压反馈第三具有偏移补偿电路的运算放大器(A3)、第四具有偏移补偿电路的运算放大器(A4)用于在从DAC(25)的电压输入端形成电压反馈；运算放大器运算放大器(A1)、(A2)、(A3)、(A4)的Vnin端与Vr基准电压端根据供电要求的不同连接高一致性正负电压源(11)的正电压输出端或者负电压输出端；Vpin端连接主DAC(12)、从DAC(25)的反馈电压端；最终第一具有偏移补偿电路的运算放大器(A1)、第二具有偏移补偿电路的运算放大器(A2)将偏移补偿后的电压由VOUT端输出电压给主DAC(12)的电压输入端；第三具有偏移补偿电路的运算放大器(A3)、第四具有偏移补偿电路的运算放大器(A4)将偏移补偿后的电压由VOUT端输出电压给从DAC(25)的电压输入端。
根据权利要求3所述的一种反馈式超高精度电压源，其特征在于：所述的高一致性正负电源(11)的正电压输出端与第二具有偏移补偿电路的运算放大器(A2)、第三具有偏移补偿电路的运算放大器(A3)的正向输入端连接，高一致性正负电源(11)的负电压输出端与第一具有偏移补偿电路的运算放大器(A1)、第四具有偏移补偿电路的运算放大器(A4)的正向输入端连接；第一具有偏移补偿电路的运算放大器(A1)的反向输入端、输出端与主DAC(12)的一个输入端连接，第二具有偏移补偿电路的运算放大器的反向输入端、输出端均与主DAC(12)的另一个输入端连接。
根据权利要求4所述的一种反馈式超高精度电压源，其特征在于：所述的具有偏移补偿电路的运算放大器包括第一运算放大器和偏移序瞬电路，第一运算放大器由第一PMOS晶体管(MP1)、第二PMOS晶体管(MP2)、第一NMOS晶体管(MN1)、第二NMOS晶体管(MN2)、第四NMOS晶体管(MN4)组成，第一运算放大器产生DC输入偏移，向第一运算放大器输入正向输入信号Vpin、反向输入信号Vnin以及偏置电压VBIAS，输出信号VOUT；在第一运算放大器中，第一PMOS晶体管(MP1)和第二PMOS晶体管(MP2)的特性与第一NMOS晶体管(MN1)和第二NMOS晶体管(MN2)的特性的偏差为产生DC输入偏移的原因；偏移序瞬电路由第三PMOS晶体管(MP3)、第三NMOS晶体管(MN3)、第一开关(SW1)、第二开关(SW2)、第二放大器(13)及第五电容(C5)、第六电容(C6)构成；第三PMOS晶体管(MP3)和第三NMOS晶体管(MN3)构成偏移检测级用于检测DC输入偏移。
根据权利要求5所述的一种反馈式超高精度电压源，其特征在于：所述的模拟信号处理电路(21)由第三运算放大器(14)、第四运算放大器(15)、第五运算放大器(16)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、可变电阻(RV)及第十三电容(C13)、第十四电容(C14)、第十五电容(C15)、第十六电容(C16)、第十七电容(C17)构成；第三电阻(R3)、第四电阻(R4)的一端提供模拟信号TP1、TN1；第三电阻(R3)、第四电阻(R4)的另一端分别连第三运算放大器(14)、第四运算放大器(15)的反向输入端子；在上述第三运算放大器(14)的输出端子与反向输入端子之间并联连接第五电阻(R5)和第十三电容(C13)，第三运算放大器(14)的正向输入端子连接在基准电压源(VREF)上；在上述第四运算放大器(15)的输出端子与反向输入端子之间并联连接可变电阻(RV)和第十四电容(C14)，第四运算放大器(15)的正向输入端子连接在基准电压源VREF上；在上述第三运算放大器(14)、第四运算放大器(15)的输出端子上分别连接第六电阻(R6)、第七电阻(R7)的一端，第六电阻(R6)、第七电阻(R7)的另一端分别连接在第五运算放大器(16)的正向输入端子和反向输入端子上；在上述第五运算放大器(16)的正向输入端子和基准电压源(VREF)之间并联连接电阻(R8)和电容(C15)；在上述第五运算放大器(16)的输出端子和反向输入端子之间并联连接第九电阻(R9)和第十六电容(C16)；上述第五运算放大器(16)的输出信号被提供给模拟加法器和输出缓冲器(22)。
根据权利要求6所述的一种反馈式超高精度电压源，其特征在于：所述的模拟加法器和输出缓冲器(22)包括第六运算放大器(18)、第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)、第十五电阻(R15)、第十七电容(C17)；上述第六运算放大器(18)的正向输入端子连接在基准电压源(VREF)上，在反向输入端子(‑)上连接十三电阻(R13)、第十五电阻(R15)的一端；第十五电阻(R15)的另一端连接在上述第六运算放大器(16)的输出端子上；在上述第六运算放大器(18)的输出端子与反向输入端子之间并联连接第十四电阻(R14)和第十七电容(C17)；上述第六运算放大器(18)的输出信号作为模拟输出被提供给外部或者其他电路，同时，输出信号提拱给A/D变换器(23)。

说明书反馈式超高精度电压源
技术领域
本发明涉及一种电压源，特别涉及一种超1ppm反馈式超高精度电压源。
背景技术
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；随着控制系统和仪器仪表系统的不断发展，对更高精度的电压源需求越来越急迫。
目前的电压源系统复杂，需要使用多种器件，需要不断进行校准，精度低，而且体积大、成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反馈式超高精度电压源，该电压源结构简单，成本低，无需校准或持续监控，简单易用。
实现本发明目的的技术方案：一种反馈式超高精度电压源，它包括高一致性正负电源、主DAC、闭环模拟信号处理电路，高一致性正负电源的正电压输出端和负电压输出端均与主DAC、闭环模拟信号处理电路的一个输入端连接；主DAC的输出端与闭环模拟信号处理电路的另一个输入端连接；高一致性正负电源把外部输入的正负电压转换为高一致性的正负电压给主DAC、闭环模拟信号处理电路供电；主DAC是整个电压源的电压输出源头，外部控制信号驱动主DAC输出电压；主DAC输出电压经过闭环模拟信号处理电路处理后最终输出高精度电压。
所述的闭环模拟信号处理电路包括模拟信号处理电路、模拟加法器和模拟缓冲器电路、A/D变换器、MCU、从DAC，主DAC的输出端与模拟信号处理电路的输入端连接，模拟信号处理电路的输出端与模拟加法器和模拟缓冲器电路的一个输入端连接；模拟加法器和模拟缓冲器电路的输出端一次与A/D变换器、MCU、从DAC连接；从DAC的输出端与模拟加法器和模拟缓冲器电路的另一个输入端连接；高一致性正负电源的正电压输出端和负电压输出端均与主DAC、从DAC的一个输入端连接；闭环模拟信号处理电路中的模拟信号处理电路增强主DAC输出的模拟信号的信噪比、并对主DAC输出的模拟信号进行放大；经过模拟信号处理电路的电压信号输入模拟加法器和模拟缓冲器电路中；经过模拟加法器和模拟缓冲器电路处理的电压信号为电压源的输出电压信号；通过A/D变换器采集加法器和模拟缓冲器电路的输出电压，将加法器和模拟缓冲器电路输出的模拟电压信号转变为数字电压信号；A/D变换器的数字电压信号输出给(MCU24)，(MCU24)将A/D变换器输出的数字信号处理后输入到从DAC中控制从DAC输出电压信号；从DAC输出的电压信号在模拟加法器和模拟缓冲器电路中与模拟信号处理电路输出的模拟信号进行模拟加法运算，最终由模拟加法器和模拟缓冲器电路将进行模拟加法运算后的高精度模拟电压缓冲输出。
所述的主DAC还与第一具有偏移补偿电路的运算放大器、第二具有偏移补偿电路的运算放大器连接，所述的从DAC还与第三具有偏移补偿电路的运算放大器、第四具有偏移补偿电路的运算放大器连接；第一具有偏移补偿电路的运算放大器、第二具有偏移补偿电路的运算放大器用于在主DAC电压输入端形成电压反馈第三具有偏移补偿电路的运算放大器、第四具有偏移补偿电路的运算放大器用于在从DAC的电压输入端形成电压反馈；运算放大器运算放大器、、、的Vnin端与Vr基准电压端根据供电要求的不同连接高一致性正负电压源的正电压输出端或者负电压输出端；Vpin端连接主DAC、从DAC的反馈电压端；最终第一具有偏移补偿电路的运算放大器、第二具有偏移补偿电路的运算放大器将偏移补偿后的电压由VOUT端输出电压给主DAC的电压输入端；第三具有偏移补偿电路的运算放大器、第四具有偏移补偿电路的运算放大器将偏移补偿后的电压由VOUT端输出电压给从DAC的电压输入端。
所述的高一致性正负电源的正电压输出端与第二具有偏移补偿电路的运算放大器、第三具有偏移补偿电路的运算放大器的正向输入端连接，高一致性正负电源的负电压输出端与第一具有偏移补偿电路的运算放大器、第四具有偏移补偿电路的运算放大器的正向输入端连接；第一具有偏移补偿电路的运算放大器的反向输入端、输出端与主DAC的一个输入端连接，第二具有偏移补偿电路的运算放大器的反向输入端、输出端均与主DAC的另一个输入端连接。
所述的具有偏移补偿电路的运算放大器包括第一运算放大器和偏移序瞬电路，第一运算放大器由第一PMOS晶体管、第二PMOS晶体管、第一NMOS晶体管、第二NMOS晶体管、第四NMOS晶体管组成，第一运算放大器产生DC输入偏移，向第一运算放大器输入正向输入信号Vpin、反向输入信号Vnin以及偏置电压VBIAS，输出信号VOUT；在第一运算放大器中，第一PMOS晶体管和第二PMOS晶体管的特性与第一NMOS晶体管和第二NMOS晶体管的特性的偏差为产生DC输入偏移的原因；偏移序瞬电路由第三PMOS晶体管、第三NMOS晶体管、第一开关、第二开关、第二放大器及第五电容、第六电容构成；第三PMOS晶体管和第三NMOS晶体管构成偏移检测级用于检测DC输入偏移。
所述的模拟信号处理电路由第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、可变电阻及第十三电容、第十四电容、第十五电容、第十六电容、第十七电容构成；第三电阻、第四电阻的一端提供模拟信号TP1、TN1；第三电阻、第四电阻的另一端分别连第三运算放大器、第四运算放大器的反向输入端子；在上述第三运算放大器的输出端子与反向输入端子之间并联连接第五电阻和第十三电容，第三运算放大器的正向输入端子连接在基准电压源上；在上述第四运算放大器的输出端子与反向输入端子之间并联连接可变电阻和第十四电容，第四运算放大器的正向输入端子连接在基准电压源VREF上；在上述第三运算放大器、第四运算放大器的输出端子上分别连接第六电阻、第七电阻的一端，第六电阻、第七电阻的另一端分别连接在第五运算放大器的正向输入端子和反向输入端子上；在上述第五运算放大器的正向输入端子和基准电压源之间并联连接电阻和电容；在上述第五运算放大器的输出端子和反向输入端子之间并联连接第九电阻和第十六电容；上述第五运算放大器的输出信号被提供给模拟加法器和输出缓冲器。
模拟加法器和输出缓冲器包括第六运算放大器、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十七电容；上述第六运算放大器的正向输入端子连接在基准电压源上，在反向输入端子上连接十三电阻、第十五电阻的一端；第十五电阻的另一端连接在上述第六运算放大器的输出端子上；在上述第六运算放大器的输出端子与反向输入端子之间并联连接第十四电阻和第十七电容；上述第六运算放大器的输出信号作为模拟输出被提供给外部或者其他电路，同时，输出信号提拱给A/D变换器。
本发明的有益技术效果：本发明采用DA‑AD反馈思想，通过高精度DA、AD元件实现高精度电压源。电路核心由两个20位数模转换器构成一个主DAC和一个辅助DAC其输出经缩放和组合后产生更高的分辨率。主DAC输出与经衰减的辅助DAC输出相加，使辅助DAC填补主DAC步长之间的分辨率间隙。本发明设计高一致性正负电压源，高一致性正负电压源输出的正负电压具有极高的跟随效应使正负电压具有很高的一致性。高一致性正负电压源输入DAC时可以消除正负电压不一致造成的精度损失。由于DAC输入电压具有反馈引脚，本发明设计了一种偏移补偿电路的运算放大器，偏移补偿电路的运算放大器具有偏移补偿功能，接受高一致性正负电压源输入后不产生输出偏执，且能接受DAC的反馈输入实现DAC的反馈电压输入。本发明为反馈式超高精度电压源，反馈通过ADC、模拟加法器输出缓冲器22及模拟衰减器26组成。反馈ADC采集模拟DAC输出转换为数字信号，通过数字处理后补偿到从DAC中，从DAC的模拟输出通过模拟加法器23后与主DAC输出叠加提高模拟输出精度。组合后的DAC输出只需要为单调性，但线性度无需极高，因为高性能是通过精密模数转换器的恒定电压反馈取得的。由于采用1ppm DAC半导体处理器件，通过本发明设计的高一致性正负电压源、偏移补偿电路的运算放大器、反馈电压源回路使发明的电压源精度可以高于1ppm。
附图说明
图1为本发明所提的一种反馈式超高精度电压源的系统框图；
图2为本发明所提的高一致性正负电压源的电路原理图；
图3为本发明所提的具有偏移补偿电路的运算放大器的电路原理图；
图4为本发明所提的基于AD5791的DAC电路的电路原理图；
图5为本发明所提的闭环模拟信号处理电路的电路原理图。
图中：11为电源，12为主DAC，2为闭环模拟信号处理电路，21为模拟信号处理电路，22为模拟加法器和模拟缓冲器电路，23为A/D变换器，24为MCU，25为从DAC；
A1～A4为具有偏移补偿电路的运算放大器；
13～16、18为运算放大器；
R1～R9以及R13～R15为电阻；
RV为可变电阻；
C1～C17为电容。
L1为电感。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明所提的一种反馈式超高精度电压源包括高一致性正负电源11、主DAC12、第一具有偏移补偿电路的运算放大器A1、第二具有偏移补偿电路的运算放大器A2、闭环模拟信号处理电路2。闭环模拟信号处理电路2包括：模拟信号处理电路21、模拟加法器和模拟缓冲器电路22、A/D变换器23、MCU 24、从DAC 25、第三具有偏移补偿电路的运算放大器A3、第四具有偏移补偿电路的运算放大器A4。
如图1所示，高一致性正负电源11的正电压输出端V+与运算放大器A2、A3的正向输入端(+)连接，高一致性正负电源11的负电压输出端V‑与运算放大器A1、A4的正向输入端(+)连接。运算放大器A1的反向输入端(‑)、输出端与主DAC12的一个输入端连接，运算放大器A2的反向输入端(‑)、输出端均与主DAC12的另一个输入端连接。主DAC12的输出端与模拟信号处理电路21的输入端连接，模拟信号处理电路21的输出端与模拟加法器和模拟缓冲器电路22的一个输入端连接。模拟加法器和模拟缓冲器电路22的输出端与A/D变换器23的输入端连接，A/D变换器23的输出端与MCU 24的输入端连接，MCU 24的的输出端从DAC 25的一个输入端连接。运算放大器A3的反向输入端(‑)、输出端与从DAC 25的一个输入端连接，运算放大器A4的反向输入端(‑)、输出端均与从DAC 25的另一个输入端连接。
如图1所示，高一致性正负电源11是为主DAC12、从DAC 25提供高一致性正负电源，高一致性正负电源11可以减小由于主DAC12、从DAC 25芯片正负供电电压不一致造成的DAC输出精度损失。高一致性正负电源11把外部输入的正负电压转换为高一致性的正负电压给主DAC12、从DAC 25供电。主DAC12是整个电压源的电压输出源头，外部控制信号驱动主DAC12输出电压。主DAC 12输出电压经过闭环模拟信号处理电路2处理后最终输出高精度电压。闭环模拟信号处理电路2中的模拟信号处理电路21增强主DAC12输出的模拟信号的信噪比，模拟信号处理电路21可以对主DAC12输出的模拟信号进行放大。经过模拟信号处理电路21的电压信号输入模拟加法器和模拟缓冲器电路22中。经过模拟加法器和模拟缓冲器电路22处理的电压信号为电压源的输出电压信号。通过A/D变换器23采集加法器和模拟缓冲器电路22的输出电压，将加法器和模拟缓冲器电路22输出的模拟电压信号转变为数字电压信号。A/D变换器23的数字电压信号输出给MCU24，MCU24将A/D变换器23输出的数字信号处理后输入到从DAC25中控制从DAC25输出电压信号。从DAC25输出的电压信号在模拟加法器和模拟缓冲器电路22中与模拟信号处理电路21输出的模拟信号进行模拟加法运算，最终由模拟加法器和模拟缓冲器电路22将进行模拟加法运算后的模拟电压缓冲输出。模拟加法器和模拟缓冲器电路22缓冲输出的模拟电压为本发明电压源的输出的高精度电压。
图2为本发明所提供的一种高一致性正负电压源11的电路图。由于高精度DAC输入电压为正负电压。正负电压的一致性DAC输出精度影响较大。正负电压源包括电压芯片正电压芯片7810、负电压芯片7910、电压反馈运放AD8065、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第三滤波电容C3、第四滤波电容C4。
正电压芯片7810的引脚VIN连接+15V电压源，正电压芯片7810的引脚VOUT和电压反馈运放AD8065的引脚VIN+均连接+10V电压源，负电压芯片7910引脚VIN连接‑15V电压源，负电压芯片7910的引脚VOUT和电压反馈运放AD8065的引脚VIN‑均连接‑10V电压源。负电压芯片7910的引脚GND与电压反馈运放AD8065的引脚VOUT连接。第一分压电阻R1与第二分压电阻R2串联，第一滤波电容C1与第二滤波电容C2串联，第三滤波电容C3与第四滤波电容C4串联，串联后的三个电路并联在+10V电压源与‑10V电压源之间。第一分压电阻R1与第二分压电阻R2的中心与电压反馈运放AD8065的引脚IN‑连接，电压反馈运放AD8065的引脚IN‑、正电压芯片7810的引脚GND第一分压电阻R1的另一端均接地。
正电压芯片7810、负电压芯片7910输出电压通过第一分压电阻R1、第二分压电阻R2分压，电阻R1、R2为高精密电阻且阻值相等。电压反馈运放AD8065将R1、R2中心电压与地进行差分运算，R1、R2中心电压与地之间的电压差值经运放AD8065后输出到负电压芯片7910的GND端进行补偿形成电压闭环电路。图2所示的电压闭环电路输出的正电压+10V与负电压‑10V形成电压跟随，正负电压的电压值高度一致。高一致性正负电压源11为主DAC12、从DAC 25提供正负电压。高一致性正负电压源11的正负电压输出给偏移补偿电路的运算放大器A1～A4为主DAC12、从DAC 25提供高一致性电压。
本发明所提供的四个具有偏移补偿电路的运算放大器A1、A2、A3、A4的电路完全相同，其电路图如图3所示。具有偏移补偿电路的运算放大器包括第一运算放大器和偏移序瞬电路。
第一运算放大器由第一PMOS(P沟道型MOS)晶体管MP1、第二PMOS晶体管MP2、第一NMOS(N沟道型MOS)晶体管MN1、第二NMOS晶体管MN2、第四NMOS晶体管MN4组成。第一运算放大器产生DC输入偏移，向第一运算放大器输入正向输入信号Vpin、反向输入信号Vnin以及偏置电压VBIAS，输出信号VOUT。在第一运算放大器中，PMOS晶体管MP1和MP2的特性与NMOS晶体管MN1和MN2的特性的偏差成为产生DC输入偏移的原因。
偏移序瞬电路由第三PMOS晶体管MP3、第三NMOS晶体管MN3、第一开关SW1、第二开关SW2、第二放大器13及第五电容C5、第六电容C6构成。晶体管MP3和MN3构成偏移检测级用于检测DC输入偏移。
该偏移补偿动作通过按照斩波时钟把两个开关SW1、SW2交替连接到swA侧和swB侧来实现，即，当开关SW1、SW2被连接在swA侧时，向晶体管MN1和MN3输入相同的反向输入信号Vnin。而且，通过第二放大器13来控制晶体管MP1的后栅极，以使晶体管MP3和MN3的输出电平VOUT成为与基准电压Vr相同的电平。当控制结束时，晶体管MP1和MN1的输出电平成为与晶体管MP3和MN3的输出电平相同的基准电压Vr。
另一方面，当开关SW1、SW2被连接在swB侧时，向晶体管MN2和MN3输入相同的正向输入信号Vpin。而且，通过第二放大器13来控制晶体管MP2的后栅极以使晶体管MP3和MN3的输出电平VOUT成为与基准电压Vr相同的电平。当控制结束时，晶体管MP2和MN2的输出电平成为与晶体管MP3和MN3的输出电平VOUT相同的基准电压Vr。
通过交替重复这两个动作，晶体管MP1和MN1的输出电平和晶体管MP2和MN2的输出电平被控制为相同的基准电压Vr。由各自的DC输入偏移所产生的误差电压作为控制晶体管MP1和MP2的后栅极端子的控制电压的差被吸收，各自的DC输入偏移被补偿。
而且由于在晶体管MP1和MP2的后栅极端子未被控制的情况下，各自的后栅极端子成为高阻杭状态，因此为了保持控制电压，而设置电容器C5、C6。C5和C6吸收斩波时钟产生开关噪声。
图3所示的具有偏移补偿电路的运算放大器A1～A4用于主DAC12、从DAC25的电压输入端，具有偏移补偿电路的运算放大器A1～A4具有极小的偏执电压。用于高精度DAC的电压输入端形成电压反馈。图3中Vnin端与Vr基准电压端根据供电要求的不同连接高一致性正负电压源11的正电压输出端或者负电压输出端，Vpin端连接主DAC12、从DAC 25的反馈电压端。最终偏移补偿电路的运算放大器A1～A4由VOUT端输出电压给主DAC12、从DAC 25的电压输入端。
图4为本发明的DAC的电路。DAC采用20bit的高精度DAC芯片AD5791。DAC输出电路由图3中的具有偏移补偿电路的运算放大器A1、A2、电感L1、第七电容C7、第八电容C8、第九电容C9、第十电容C10、第十一电容C11、第十二电容C12组成。
高精度DA芯片AD5791的引脚VREFPS与运算放大器A1的反向输入端(‑)连接，高精度DA芯片AD5791的引脚VREFPF与运算放大器A1的输出端连接，高一致性正负电源11的+10V电压输出端与运算放大器A1的正向输入端(+)连接。第七电容C7的一端、第八电容C8的一端共同接地，第七电容C7的另一端与芯片AD5791的引脚IOVcc连接，第八电容C8的另一端和电感L1的一端均与芯片AD5791的引脚Vcc连接，电感L1的另一端连接3.3V电压源。第十一电容C11、第十二电容C12并联后一端与AD5791的引脚VDD连接，另一端接电压源VDD，第十一电容C11、第十二电容C12还接地。高精度DA芯片AD5791的引脚VREFNS与运算放大器A2的反向输入端(‑)连接，高精度DA芯片AD5791的引脚VREFNF与运算放大器A2的输出端连接，高一致性正负电源11的‑10V电压输出端与运算放大器A2的正向输入端(+)连接。第十九电容C9、第十电容C10并联后一端与AD5791的引脚VSS连接，第十九电容C9、第十电容C10另一端接地。
SPI输入的数字量通过DAC芯片AD5791将数字量转换为模拟电压输出。图4中A1、A2为具有偏移补偿电路的运算放大器，运算放大器A1、A2与AD5791的VREFPF、VREFPS、VREFNF、VREFNS引脚形成输入电压反馈，减小输入电压对高精度DAC精度的影响。DAC在本发明电压源中有两次应用，其中主DAC12输入的控制信号为外部的控制信号，控制整个电压源输出电压的大小。从DAC25的输入信号为通过MCU24处理过的数字电压补偿信号，从DAC25接受输入后输出模拟电压。DAC25输出电压信号在模拟加法器和模拟缓冲器电路22中与模拟信号处理电路21输出的模拟信号进行模拟加法运算后最终由模拟加法器和模拟缓冲器电路22将进行模拟加法运算后的模拟电压缓冲输出。
图5是为本发明的闭环模拟信号处理电路2的电路原理图。闭环模拟信号处理电路2包模拟信号处理电路21、模拟加法器和模拟缓冲器电路22、A/D变换器23、MCU 24、从DAC 25。
模拟信号处理电路21由第三运算放大器14、第四运算放大器15、第五运算放大器16、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、可变电阻RV及第十三电容C13、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C16、第十七电容C17构成。向上述电阻R3、R4的一端提供模拟信号TP1、TN1。电阻R3、R4的另一端上分别连接运算放大器14、15的反向输入端子(‑)。在上述运算放大器14的输出端子与反向输入端子(‑)之间并联连接电阻R5和电容C13，正向输入端子(+)连接在基准电压源VREF(通常，电源电压VDD/2电平)上。在上述运算放大器15的输出端子与反向输入端子(‑)之间并联连接可变电阻RV和电容C14，正向输入端子(+)连接在基准电压源VREF上。在上述运算放大器14、15的输出端子上分别连接电阻R6、R7的一端，电阻R6、R7的另一端分别连接在运算放大器16的正向输入端子(+)和反向输入端子(‑)上。在上述运算放大器16的正向输入端子(+)和基准电压源VREF之间并联连接电阻R8和电容C15。而且，在上述运算放大器16的输出端子和反向输入端子(‑)之间并联连接电阻R9和电容C16。而且，上述运算放大器16的输出信号被提供给模拟加法器和输出缓冲器22。
上述模拟加法器和输出缓冲器22包括第六运算放大器18、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15及第十七电容C17。上述运算放大器18的正向输入端子(+)连接在基准电压源VRE F上，在反向输入端子(‑)上连接电阻R13、R15的一端。电阻R15的另一端连接在上述运算放大器16的输出端子上。而且，在上述运算放大器18的输出端子与反向输入端子(‑)之间并联连接电阻R14和电容C17。而且，上述运算放大器18的输出信号作为模拟输出被提供给外部或者其他电路，同时，提拱给A/D变换器23。A/D变换器23的数据经MCU 24处理后将数据传递给D/A变换器25。
在图5所示的电路中，模拟加法器和输出缓冲器22成为极性相反的缓冲器，其增益由电阻R13与R14的电阻值之比来决定，其增益为：Ko＝‑R14/R13。而且，电阻R15和电阻R13分别连接模拟信号处理电路21的输出端和从DAC25的输出端，将两个输出端的信号相加，即此时模拟加法器和输出缓冲器22以模拟加法器状态工作。
而且，模拟信号处理电路21的输出信号所输入侧的输出缓冲器的增益Km＝‑R14/R15。偏移补偿侧的增益Ko和模拟信号处理电路21的输出侧的增益Km不需要是相同的。通过调整Km与Ko可以获得不同放大倍数的电压输出。
闭环模拟信号处理电路2的TNI端接地，TPI连接主DAC 12输出的模拟电压。闭环模拟信号处理电路2的输出端为本法明输出的高精度电压。
根据上述这样的构成，由于使用运算放大器减小了电路的复杂程度。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。