令人困擾的DAC輸出短時(shí)毛刺脈沖干擾

　　在DAC基礎知識：靜態(tài)技術(shù)規格中，我們探討了靜態(tài)技術(shù)規格以及它們對DC的偏移、增益和線(xiàn)性等特性的影響。這些特性在平衡雙電阻 (R-2R) 和電阻串數模轉換器 (DAC) 的各種拓撲結構間是基本一致的。然而，R-2R和電阻串DAC的短時(shí)毛刺脈沖干擾方面的表現卻有著(zhù)顯著(zhù)的不同。

　　我們可以在DAC以工作采樣率運行時(shí)觀(guān)察到其動(dòng)態(tài)不是線(xiàn)性。造成動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性的原因很多，但是影響最大的是短時(shí)毛刺脈沖干擾、轉換率/穩定時(shí)間和采樣抖動(dòng)。

　　用戶(hù)可以在DAC以穩定采樣率在其輸出范圍內運行時(shí)觀(guān)察短時(shí)毛刺脈沖干擾。圖1顯示的是一個(gè)16位R-2R DAC，DAC8881上的此類(lèi)現象。

　　圖1

　　這個(gè)16位DAC (R-2R) 輸出顯示了7FFFh – 8000h代碼變化時(shí)的短時(shí)毛刺脈沖干擾的特性。

　　到底發(fā)生了什么?

　　在理想情況下，DAC的輸出按照預期的方向從一個(gè)電壓值移動(dòng)到下一個(gè)電壓值。但實(shí)際情況中，DAC電路在某些代碼到代碼轉換的過(guò)程中具有下沖或過(guò)沖特性。

　　這一特性在每一次代碼到代碼轉換時(shí)都不一致。某些轉換中產(chǎn)生的下沖或過(guò)沖特性會(huì )比其它轉換更加明顯。而短時(shí)毛刺脈沖干擾技術(shù)規格量化的就是這些特性。DAC短時(shí)毛刺脈沖干擾會(huì )瞬時(shí)輸出錯誤電壓來(lái)干擾閉環(huán)系統。

　　圖2顯示的是具有單突短時(shí)毛刺脈沖干擾的DAC的示例。一個(gè)電阻串DAC產(chǎn)生的通常就是這種類(lèi)型的短時(shí)毛刺脈沖干擾。

　　圖2

　　單突DAC輸出短時(shí)毛刺脈沖干擾特性。

　　在圖2中，代碼轉換的位置是從7FFFh到8000h。如果你將這些數變換為二進(jìn)制形式，需要注意的是這兩個(gè)十六進(jìn)制代碼的每個(gè)位或者從1變換為0，或者從0變換為1。

　　短時(shí)毛刺脈沖干擾技術(shù)規格量化了這個(gè)毛刺脈沖現象所具有的能量，能量單位為納伏秒，即nV-sec (GI)。這個(gè)短時(shí)毛刺脈沖干擾的數量等于曲線(xiàn)下面積的大小。

　　單突短時(shí)毛刺脈沖干擾是由DAC內部開(kāi)關(guān)的不同步造成的。那是什么引起了這一DAC現象呢?原因就是內部DAC開(kāi)關(guān)的同步不總是那么精確。由于集成開(kāi)關(guān)電容充電或放電，你能在DAC的輸出上看到這些電荷交換。

　　R-2R DAC產(chǎn)生兩個(gè)區域的短時(shí)毛刺脈沖干擾錯誤(圖3)。由于出現了雙脈沖誤差，從負短時(shí)毛刺脈沖干擾 (G1) 中減去正短時(shí)毛刺脈沖干擾 (G2) 來(lái)產(chǎn)生最終的短時(shí)毛刺脈沖干擾技術(shù)規格。

　　圖3

　　具有R-2R內部結構的DAC表現出雙突短時(shí)毛刺脈沖干擾

　　圖3中的代碼轉換仍然是從7FFFh至8000h。

　　為了理解DAC短時(shí)毛刺脈沖干擾的源頭，我們必須首先定義主進(jìn)位轉換。在主進(jìn)位轉換點(diǎn)上，最高有效位 (MSB)從低變高時(shí)， 較低的位從高變?yōu)榈?，反之亦然。其中一個(gè)此類(lèi)代碼變換示例就是0111b變?yōu)?000b，或者是從1000 000b變?yōu)?111 1111b的更加明顯的變化。

　　有些人也許會(huì )認為這一現象在DAC的輸出表現出巨大的電壓變化時(shí)出現。實(shí)際上，這并不是每個(gè)DAC編碼機制都會(huì )出現的情況。更多細節請見(jiàn)參考文獻1。

　　圖4和圖5顯示了這種類(lèi)型的毛刺脈沖對一個(gè)8位DAC的影響。對于DAC用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這一現象在單個(gè)最低有效位 (LSB) 步長(cháng)時(shí)出現，或者在一個(gè)5V、8位系統中，在19.5mV步長(cháng)時(shí)出現。

　　圖4

　　在這個(gè)8位DAC配置中，此內部開(kāi)關(guān)有7個(gè)R-2R引腳被接至VREF，有1個(gè)R-2R引腳接地。

　　圖5

　　在這個(gè)DAC配置中，此內部開(kāi)關(guān)有1個(gè)R-2R引腳被接至VREF，有7個(gè)R-2R引腳接地。

　　在DAC載入代碼時(shí)，會(huì )有兩個(gè)區域產(chǎn)生輸出毛刺脈沖：同時(shí)觸發(fā)多個(gè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)同步和開(kāi)關(guān)電荷轉移。

　　此電阻串DAC具有一個(gè)單開(kāi)關(guān)拓撲。一個(gè)電阻串DAC抽頭連接到巨大電阻串的不同點(diǎn)。開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )不需要主進(jìn)位上的多個(gè)轉換，因此，產(chǎn)生毛刺脈沖的可能進(jìn)性較低。開(kāi)關(guān)電荷將會(huì )產(chǎn)生一個(gè)較小的毛刺脈沖，但是與R-2R結構DAC產(chǎn)生的毛刺脈沖相比就顯得微不足道了。

　　代碼轉換期間，R-2R DAC具有多個(gè)同時(shí)開(kāi)關(guān)切換。任何同步的缺失都導致短時(shí)間的開(kāi)關(guān)全為高電平或全為低電平，從而使得DAC的電壓輸出遷移至電壓軌。然后這些開(kāi)關(guān)恢復，在相反的方向上產(chǎn)生一個(gè)單突短時(shí)毛刺脈沖干擾。然后輸出穩定。

　　這些毛刺脈沖的電壓位置是完全可預計的。在使用R-2R DAC時(shí)，最糟糕的情況是毛刺脈沖誤差出現在所有數字位切換，同時(shí)仍然用小電壓變化進(jìn)行轉換時(shí)。在這種情況下，用主進(jìn)位轉換進(jìn)行DAC代碼變化;從代碼1000…變換為0111…。

　　檢查真實(shí)DAC運行狀態(tài)

　　現在，我們已經(jīng)定義了針對短時(shí)毛刺脈沖干擾誤差的備選代碼轉換，我們可以仔細觀(guān)察一下16位DAC8881(R-2R DAC) 和16位DAC8562(電阻串DAC)的R-2R和電阻串DAC短時(shí)毛刺脈沖干擾。

　　在圖6中，DAC8881的短時(shí)毛刺脈沖干擾為37.7 nV-sec，而DAC8562的短時(shí)毛刺脈沖干擾為0.1 nV-sec。在這兩張圖中，x軸的刻度為500ns/div，而y軸的刻度為50mV/div。

　　圖6

　　R-2R和電阻串短時(shí)毛刺脈沖干擾性能

　　毛刺脈沖消失了

　　如果存在DAC短時(shí)毛刺脈沖干擾問(wèn)題，用戶(hù)可以使用外部組件來(lái)減小毛刺脈沖幅度(圖7a)，或者完全消除短時(shí)毛刺脈沖干擾能量(圖7b。)

　　圖7

　　用一階低通濾波器 (a) 或采樣/保持解決方案 (b) 來(lái)減少短時(shí)毛刺脈沖干擾誤差。

　　DAC之后的RC濾波器可減少毛刺脈沖幅度(圖7a)。短時(shí)毛刺脈沖干擾周期決定了適當的RC比。RC濾波器3dB的頻率比短時(shí)毛刺脈沖干擾頻率提前十倍頻。在選擇組件時(shí)需要確保電阻器的電阻值較低，否則的它將會(huì )與電阻負載一起產(chǎn)生一個(gè)壓降。由于毛刺脈沖能量從不會(huì )丟失，執行單極低通濾波器的代價(jià)就是在穩定時(shí)間加長(cháng)的同時(shí)誤差被分布在更長(cháng)的時(shí)間段內。

　　第二種方法是使用一個(gè)采樣/保持電容器和放大器(圖7b)。外部開(kāi)關(guān)和放大器消除了DAC內部開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的毛刺脈沖，從而獲得較小的采樣/保持 (S/H) 開(kāi)關(guān)瞬態(tài)。在這個(gè)設計中，開(kāi)關(guān)在DAC的整個(gè)主進(jìn)位轉換期間保持打開(kāi)狀態(tài)。一旦轉換完成，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，從而在CH采樣電容器上設定新輸出電壓。當DAC準備升級其輸出時(shí)，此電容器在外部開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)繼續保持新電壓。這個(gè)解決方案成本較高，也會(huì )占據更多的板級空間，但能夠在不增加穩定時(shí)間的情況下減少/消除毛刺脈沖。

　　結論

　　短時(shí)毛刺脈沖干擾是一個(gè)非常重要的動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性的DAC特性，你將會(huì )在器件以工作采樣率運行時(shí)遇到這個(gè)問(wèn)題。但是，這只是冰山一角。影響高速電路的其它因素還有轉換率和穩定時(shí)間。請隨時(shí)關(guān)注下一篇與這一主題相關(guān)的文章。