選擇高精度數模轉換器

在本文中我們將對高精度數模轉換器的選擇和使用過(guò)程中所涉及的問(wèn)題進(jìn)行研究。DAC 的架構對于DAC 的技術(shù)規格及其對電路板設計師的要求均有影響。為了實(shí)現最佳性能，需要謹慎地考慮DAC 上的電源、基準和輸出放大器所產(chǎn)生的影響。

　　過(guò)采樣或增量累加DAC

　　過(guò)采樣或ΔΣADC 采用一個(gè)低分辨率DAC (通常僅1 位)，在其前后分別布設一個(gè)噪聲整形數字調制器和一個(gè)模擬低通濾波器。最準確的商用增量累加DAC 實(shí)現±15ppm 的準確度，但是需要15ms 才能穩定，并要承受相對較高的1μV/√Hz 噪聲密度。其它可購得的過(guò)采樣DAC 在80us 內穩定，但是INL 較差，大約為240 ppm。

　　合成DAC

　　通過(guò)結合兩個(gè)較低分辨率的單片DAC，有可能構成一個(gè)高分辨率的合成DAC。請注意，粗略DAC 的分辨率和精細DAC 的范圍需要重疊，以確保所有想要的輸出電壓都可實(shí)現。粗略DAC 的準確度和漂移一般將限制合成DAC 的最終準確度，因此要提高準確度，就需要對合成DAC 轉移函數的特性和軟件進(jìn)行校正。也可能需要頻率校準，以校正隨溫度、時(shí)間、濕度和機械壓力產(chǎn)生的變化導致的漂移。

　　電阻串DAC

　　電阻串DAC 采用具有2N 個(gè)分接點(diǎn)的一系列電阻分壓器，以實(shí)現N 位分辨率。采用電阻串架構的單片16 位DAC 一般含有一個(gè)較低分辨率的電阻串DAC 和一個(gè)范圍較小的DAC，范圍較小的DAC 用于插入串器件之間，以實(shí)現16 位分辨率。這種串+內插器方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，DAC 輸出具有固有的單調性，無(wú)需微調或校準。

　　這類(lèi)DAC 的基準輸入阻抗一般很高(50KΩ～300kΩ)，而且不受輸入代碼的影響，從而有可能使用一個(gè)非緩沖型基準。因為電阻串的輸出阻抗隨輸入代碼變化，所以大多數電阻串DAC 含有集成的輸出緩沖器放大器，以驅動(dòng)電阻性負載。

　　盡管電阻串DAC 的DNL 本身非常好，但是INL 由串聯(lián)電阻器件的匹配決定，而且可能由于含有大量的獨立器件而難以控制。直到最近，這類(lèi)DAC 的準確度一直限制在約±180ppm。最近的進(jìn)步已經(jīng)使得準確度提高到了±60ppm。例如，LTC2656 在4mm x 5mm 封裝中集成了8 個(gè)DAC 通道，在16 位分辨率時(shí)具有±4LSB 的最大INL。

　　阻性梯形或R-2R 型DAC

　　阻性梯形或R-2R DAC 采用一種三端子結構，電阻器在A(yíng) 端和B 端之間切換。請注意，A 端和B 端上的阻抗與代碼的相關(guān)性很高，而C 端則具有一個(gè)固定阻抗。電阻器與開(kāi)關(guān)的匹配情況將會(huì )影響這種結構的單調性和準確度。此類(lèi)DAC 一般經(jīng)過(guò)修整或在出廠(chǎng)時(shí)經(jīng)過(guò)校準，而且，具±1LSB INL 和DNL 的單調16 位阻性梯形電路DAC 上市已有很長(cháng)時(shí)間了。

　　電壓輸出R-2R DAC

　　一種常見(jiàn)類(lèi)型的R-2R DAC 將C 端用作DAC 輸出電壓，而A 端連接到基準，B 端連接到地。輸出阻抗相對于輸入代碼是恒定的，從而有可能以非緩沖方式驅動(dòng)電阻負載。例如，LTC2641 16 位DAC 能以非緩沖方式驅動(dòng)60kΩ負載，同時(shí)保持±1LSB 的INL 和DNL，并消耗不到200μA 的電源電流。

　　這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，基準阻抗隨著(zhù)輸入代碼大幅變化。由于R-2R 梯形電路的本質(zhì)，甚至DAC 輸出電壓中很小的變化也可能在基準電流中引起1mA 或更大的階躍變化。為此，必須由一個(gè)高性能放大器來(lái)對基準進(jìn)行緩沖，并采用一種非常精細和針對性的檢測電路布局，以限制穩定、干擾脈沖和線(xiàn)性度性能的最終劣化。

　　當一個(gè)輸出緩沖器放大器和一個(gè)電壓輸出R-2R DAC 一起使用時(shí)，該放大器的開(kāi)環(huán)增益和大信號共模抑制必須足夠高，以保持輸出的線(xiàn)性度(在18 位時(shí)>110dB)。輸出緩沖器的失調和輸入偏置電流將主要以DAC 輸出偏移的形式出現，但是這些參數在輸入共模范圍內的任何變化都將以附加的INL 誤差形式出現。

　　請注意，在正和負基準開(kāi)關(guān)之間有必要保持匹配的阻抗，以保持DAC 線(xiàn)性度。因為CMOS 開(kāi)關(guān)阻抗是電壓和溫度的函數，因此這給DAC 的準確度帶來(lái)了挑戰，尤其是在低電源電壓時(shí)?？刹捎眠@種架構的18 位DAC 的PSRR 被限制在約64dB。結果，隨著(zhù)時(shí)間、溫度、電壓和負載狀況的變化，電源必須在約0.5% 的范圍內保持恒定，以保持18 位性能。在工作溫度范圍內，這類(lèi)DAC 的INL 可以預期以±0.5LSB 或更大的幅度漂移。

　　迄今為止，當采用一個(gè)5V電源時(shí)，運用該架構和一個(gè)集成輸出放大器的18位DAC的性能一直被限制為±2LSB INL(在18位)。采用3V電源時(shí)，其性能將進(jìn)一步限制為±3LSB INL(在18位)，且單調性下降至17位。電流輸出R-2R DAC

　　對于高準確度應用來(lái)說(shuō)，這種架構具有很多優(yōu)點(diǎn)?；鶞首杩故呛愣ǖ?，可以用非緩沖型基準或一個(gè)慢速低精確度運算放大器驅動(dòng)。因為A 端和B 端處于相同的地電位，所以保持匹配的開(kāi)關(guān)阻抗相對容易，甚至在出現電源電壓和溫度變化時(shí)也一樣。結果，精確的電流輸出R-2R DAC 具有卓越的PSRR 和溫度漂移性能。

　　與電流輸出R-2R DAC 一起使用的輸出放大器需要高開(kāi)環(huán)增益(在18 位時(shí)>110 dB) 和低失調電壓。A 端和B 端之間的任何偏移都將產(chǎn)生一種取決于代碼的誤差電流，該誤差電流將以INL 誤差的形式出現。輸出緩沖器的輸入偏置電流不那么重要，主要以DAC 輸出偏移的形式出現。因為兩個(gè)輸入都始終處于地電位，所以放大器的共模抑制不重要。

　　在16 位時(shí)實(shí)現±1LSB INL 的電流輸出R-2R DAC 長(cháng)久以來(lái)一直可以普遍購得，凌力爾特公司提供一種新的18 位DAC 系列，在18 位分辨率時(shí)實(shí)現±4ppm 的準確度或±1LSB 的最大INL，在整個(gè)溫度范圍內有保證。LTC2757 提供并聯(lián)接口，可立即購得。LTC2756/8 單和雙通道SPI DAC 計劃在未來(lái)數月內推出。在18 位時(shí)，LTC2757 從-40℃～+85℃的典型 INL 漂移不到±0.2LSB，高達96dB 的PSRR 使輸出對電源變化不敏感。

　　緩沖型與非緩沖型DAC 輸出

　　有些高度準確的DAC 在DAC 內部集成了輸出放大器，而其它一些這類(lèi)放大器則需要一個(gè)外部運算放大器。在這兩種情況下，大多數DAC 都提供集成的電平移動(dòng)和反饋電阻器，以不再需要精確的外部器件。集成輸出放大器的主要優(yōu)點(diǎn)是占板面積小和使用方便。成本通常不是首要因素，因為外部放大器器件通常比DAC 本身便宜得多。

　　設計師應該意識到，一個(gè)集成的輸出放大器也許會(huì )損害設計靈活性。內部放大器提供的輸出擺幅、速度、噪聲和功率合起來(lái)，不可能對于多種應用來(lái)說(shuō)都是最佳的。例如，一個(gè)集成的單電源輸出放大器在靠近電源軌時(shí)將遭遇準確度下降問(wèn)題，因此設計師必須提供電平移動(dòng)差分基準，以利用全部的DAC 代碼范圍。如果內部放大器的負反饋輸出不可使用，則有可能無(wú)法針對大容性負載來(lái)補償輸出環(huán)路，或增設一個(gè)外部緩沖器而不引入第二個(gè)反饋環(huán)路，對于那些需要一個(gè)較寬輸出擺幅或較高負載電流的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，他們將會(huì )由于增設一個(gè)具有與內部放大器環(huán)路相串聯(lián)的獨立反饋環(huán)路的外部放大級，而導致準確度、噪聲和功耗等性能的損失。

　　具有一個(gè)外部放大器的非緩沖型DAC 一般實(shí)現最佳性能。多種可購得的器件給設計師提供了自由，可對給定的應用選擇一個(gè)具有最佳準確度、速度、噪聲和功率的解決方案。

　　選擇輸出放大器

　　當選擇與LTC2757 等準確的電流輸出DAC 一起使用的放大器電路時(shí)，失調電壓是一個(gè)重要的考慮因素。DAC 線(xiàn)性度對放大器失調的敏感性取決于DAC 的實(shí)現方式，制造商應該在數據表中描述清楚。就LTC2757 而言，±80μV 的失調電壓將在DAC 輸出引起約±1LSB 的INL 誤差。

　　要實(shí)現最佳的DC 準確度，最簡(jiǎn)單的解決方案是采用低失調(10μV) 自動(dòng)調零放大器(如LTC1150 或LTC2054)。對于較寬的輸出擺幅來(lái)說(shuō)，可以在環(huán)路中納入諸如LT1010 等第二個(gè)緩沖器放大器。LT1012 是一個(gè)良好的中間輸出放大器，以低功率(11.4mW) 實(shí)現中等速度(120μs 穩定時(shí)間) 和良好的準確度(±25μV 失調)。

　　對于高速應用來(lái)說(shuō)，一個(gè)良好的選擇是LTC1468-2，該器件在18 位時(shí)以2μs 時(shí)間將10V 階躍穩定在±1LSB 之內。請注意，±75μV 的最大失調將在DAC 輸出端使INL 劣化高達±0.9LSB。對于需要較高準確度的高速應用來(lái)說(shuō)，放大器失調可以用數字電位器來(lái)消除。

　　要在高速且未采用消除失調的措施時(shí)實(shí)現最佳準確度，合成的放大器電路是一個(gè)良好的選擇。

　　結論

　　在電壓和電流輸出R-2R DAC 之間進(jìn)行選擇時(shí)，設計師應該意識到，每一種架構對電源、基準和輸出放大器都施加了不同的要求。選擇一個(gè)非緩沖型DAC 并將該DAC 與一個(gè)仔細選擇的放大器結合，可以最大限度地提高設計靈活性，并為給定應用提供最佳解決方案。