高壓R-2R DAC的去毛刺技術(shù)

在電源電壓超過(guò)±5V的R-2R DAC設(shè)計(jì)中，DAC的主要進(jìn)位轉(zhuǎn)換期間可能會(huì)出現(xiàn)較大的電壓毛刺（高達(dá)1.5V）。這些毛刺會(huì)傳播到輸出緩沖放大器，并出現(xiàn)在輸出端?？刂祈敳?（VREF+） 和底部 （VREF-） 單刀雙擲開(kāi)關(guān)（S0 至 SN）的電平轉(zhuǎn)換器的回轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致毛刺（圖 1）。如果“反相”R-2R梯形圖的每個(gè)開(kāi)關(guān)都瞬間打開(kāi)和/或關(guān)閉，則DAC輸出（或輸出緩沖放大器的輸入）的毛刺幅度將很小。但是，開(kāi)關(guān)不會(huì)瞬時(shí)切換;事實(shí)上，為了避免兩個(gè)基準(zhǔn)電壓緩沖器的輸出之間產(chǎn)生撬棍電流，開(kāi)關(guān)采用先開(kāi)后合連接。相關(guān)的時(shí)間延遲會(huì)在DAC代碼轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生非常大的毛刺，從而降低動(dòng)態(tài)性能規(guī)格“毛刺脈沖能量”。

圖1.簡(jiǎn)化的DAC電路。

降低毛刺能量的一種方法是在DAC輸出和地之間連接一個(gè)大電容。R的低通濾波器組合代數(shù)轉(zhuǎn)換器C降低毛刺的幅度。但是，為了顯著減少毛刺，電容值必須很大。因此，這種方法大大增加了DAC的建立時(shí)間。

另一種去毛刺技術(shù)是在DAC輸出之后使用外部采樣保持（T/H）放大器。這種方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以完全消除DAC輸出的毛刺（原則上）。但是，除了T/H放大器之外，還需要外部單次和去毛刺時(shí)序控制邏輯。因此，DAC、去毛刺時(shí)序控制電路和T/H放大器之間的接口可能相當(dāng)繁瑣。

將 T/H 放大器與 DAC 集成在同一芯片上，可消除繁瑣的接口（圖 2）。去毛刺T/H放大器緊跟在緩沖DAC輸出之后。利用這種技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種智能去毛刺電路，在不增加建立時(shí)間的情況下顯著降低了數(shù)模毛刺脈沖能量。

圖2.集成 T/H 抗干擾架構(gòu)。

智能DAC去毛刺電路

由于毛刺在DAC更新后立即發(fā)生，并在前幾微秒內(nèi)消失，如果DAC輸出和輸出緩沖放大器輸入在DAC更新時(shí)去耦并保持去耦，直到毛刺消失，則毛刺將不會(huì)通過(guò)輸出緩沖放大器。如圖2所示，該解決方案使用T/H概念來(lái)消除毛刺。在更新DAC之前，開(kāi)關(guān)SW1關(guān)閉。采樣電容對(duì)先前DAC代碼的直流電平進(jìn)行采樣。在數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換期間，當(dāng)DAC更新時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電容（CH） 保持先前 DAC 代碼的直流電平。發(fā)生毛刺時(shí)，放大器輸出保持在此直流電平。故障消失后，開(kāi)關(guān)再次關(guān)閉。與上一節(jié)討論的低通濾波器技術(shù)不同，T/H電容的值可以小得多，因?yàn)樵撾娙萦糜诒３窒惹癉AC代碼的直流電平，而不是降低毛刺幅度。當(dāng)T/H開(kāi)關(guān)由于電荷共享和注入而打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)，仍會(huì)出現(xiàn)小毛刺，但相關(guān)的毛刺幅度要小得多。

實(shí)現(xiàn)技術(shù)

雖然將DAC輸出放大器與T/H組合在直觀上看起來(lái)很明顯，但這在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中帶來(lái)了一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。例如，在某些應(yīng)用中，需要較大的DAC輸出擺幅。因此，采樣開(kāi)關(guān)（SW1）必須在高壓電位下工作。這一要求將T/H實(shí)現(xiàn)限制在少數(shù)具有所需高擊穿電壓MOS開(kāi)關(guān)的工藝中。另一個(gè)挑戰(zhàn)是，輸出放大器雙極性輸入對(duì)的基極電流會(huì)在開(kāi)關(guān)（SW1）上產(chǎn)生失調(diào)電壓（IBASE×RSW）。最后，電荷注入和時(shí)鐘饋通是需要考慮的其他T/H電路規(guī)格。

改進(jìn)的去毛刺電路

當(dāng)DAC輸出之后有一個(gè)單位增益緩沖放大器時(shí)，采樣開(kāi)關(guān)必須具有高擊穿電壓。但是，如果放大器的增益大于1（n>3），則所需的開(kāi)關(guān)擊穿電壓將降低n倍。這有助于放寬與DAC和開(kāi)關(guān)相關(guān)的工藝要求。圖<>顯示了該電路的架構(gòu)。

圖3.改進(jìn)的去毛刺電路。

將 VSW 指定為控制采樣開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電壓，過(guò)程擊穿電壓 （VBREAKDOWN） 限制了 VSW 的最大值。通過(guò)設(shè)置 n>Vout （最小值/最大值）/VVBREAKDOWN，可以緩解高壓?jiǎn)栴}。

消除由非零基極電流引起的失調(diào)

為了消除采樣開(kāi)關(guān)的基極電流，可以使用差分電荷消除，如圖4所示。

圖4.差分電荷消除。

西 南部2等于軟件1，并且兩者都看到相同的阻抗。等效電阻等于R，等效電容等于CH.

這種架構(gòu)提高了電路性能;然而，仍有一些問(wèn)題需要解決。一、當(dāng)軟件1和軟件2均開(kāi)路，輸出放大器沒(méi)有反饋路徑;放大器工作開(kāi)環(huán)。其次，放大器反相輸入端的保持電容會(huì)導(dǎo)致額外的相移，從而降低運(yùn)算放大器的相位裕量（PM）。

用于去毛刺電路的零極點(diǎn)架構(gòu)

只需稍微改變放大器反饋網(wǎng)絡(luò)，電路就可以解決相移問(wèn)題。如圖5所示，開(kāi)關(guān)SW1和SW2兩側(cè)的等效阻抗匹配。該電路有效地在放大器反饋網(wǎng)絡(luò)中的極點(diǎn)位置增加了一個(gè)零點(diǎn)，以補(bǔ)償增加的相移和圖4所示的相裕量減小。

圖5.完整的架構(gòu)。

使用此配置時(shí)，V 沒(méi)有相移外到 V店-.當(dāng)軟件2打開(kāi)，C1和 C2保持負(fù)面反饋。對(duì)于極點(diǎn)零點(diǎn)消除，等效反饋網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6.反饋網(wǎng)絡(luò)的等效電路。

從數(shù)學(xué)上講，該電路的優(yōu)點(diǎn)，即極點(diǎn)零點(diǎn)消除，推導(dǎo)如下：

測(cè)試結(jié)果

這種用于電壓DAC技術(shù)的智能去毛刺電路目前用于MAX5839，這是一款13位、八通道、高壓DAC。測(cè)試測(cè)量表明，數(shù)模毛刺能量比市場(chǎng)上其他器件小10倍。下圖顯示了測(cè)試結(jié)果。

圖7.大進(jìn)位轉(zhuǎn)換期間的毛刺幅度。

結(jié)論

在去毛刺電路中使用T/H放大器技術(shù)，我們?cè)谥饕M(jìn)位轉(zhuǎn)換期間在DAC輸出端實(shí)現(xiàn)了非常小的毛刺（通常為10mV至20mV）。通過(guò)在RC反饋網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)零點(diǎn)消除，消除了保持電容引起的額外相移，并保持了輸出放大器的穩(wěn)定性。當(dāng)采樣開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，仍然通過(guò)電容C1和C2采用負(fù)反饋。此外，基極電流消除消除了由于RSW×Ibase引起的電壓失調(diào)。最后，通過(guò)正確選擇輸出放大器的增益“n”，我們可以使用工藝約束（否則可能會(huì)使設(shè)計(jì)復(fù)雜化）來(lái)發(fā)揮我們的優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：郭婷