DAC80508多通道DAC在高精度測(cè)試測(cè)量中的應(yīng)用

在測(cè)試測(cè)量設(shè)備開(kāi)發(fā)應(yīng)用中，如何實(shí)現(xiàn)信號(hào)鏈DC Offset的補(bǔ)償，以及如何獲得高精度靈活可調(diào)電壓輸出一直都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要克服的困難。在本文中，我們將探討TI新一代多通道DAC——DAC80508在諸如示波器、電池測(cè)試系統(tǒng)等測(cè)試測(cè)量設(shè)備中的實(shí)現(xiàn)上述功能的優(yōu)勢(shì)。TI的最新一代DAC產(chǎn)品，可在需要小尺寸和高性能要求的情況下實(shí)現(xiàn)高密度和多通道精確電壓輸出的解決方案。如今市場(chǎng)上的測(cè)試測(cè)量設(shè)備例如電池測(cè)試設(shè)備Battery Tester，數(shù)字示波器DSO，以及半導(dǎo)體測(cè)試儀器ATE等都會(huì)有多通道模擬參考電壓輸出的需求。而目前的DAC也存在一些缺點(diǎn)：高噪聲，高功耗，缺乏靈活性等。這些缺點(diǎn)可以通過(guò)使用TI新一代DAC0508來(lái)克服。如圖1所示是TI新一代DAC80508與市場(chǎng)已有方案的一些基本參數(shù)的對(duì)比。

圖1 DAC80508 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)分析表

下面我們將詳細(xì)探討DAC80508的具體特點(diǎn)：

1.小封裝多路輸出：

工程師在測(cè)試測(cè)量應(yīng)用中更頻繁地使用高通道數(shù)的DAC或者利用單通道外加多路復(fù)用器的架構(gòu)，而單個(gè)組件的尺寸對(duì)于最大化這些系統(tǒng)中的通道密度非常重要。 TI的經(jīng)典產(chǎn)品DAC8560搭載CD74HC4051多路復(fù)用器，并通過(guò)多個(gè)通道間的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)多路模擬量的輸出。

最新發(fā)布的具有多路模擬輸出DAC參考設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2），實(shí)現(xiàn)了8通道高集成度模擬量輸出，在示波器16通道數(shù)字邏輯分析儀參考電壓需求具有突出小型的整體尺寸和高精度性能。DACx0508系列使設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建具有最高性能的密集型，高通道數(shù)數(shù)字邏輯分析儀的解決方案。例如，DAC80508ZYZFT采用2.4mm x 2.4mm裸片尺寸的球柵陣列（DSBGA）封裝提供了八個(gè)16位電壓DAC通道，提供了最小尺寸的16位當(dāng)今市場(chǎng)上的通道高性能DAC。該系列使TI產(chǎn)品組合在尺寸，性能方面更具競(jìng)爭(zhēng)力。小巧的設(shè)備尺寸加上創(chuàng)新的測(cè)試和制造技術(shù)，可節(jié)省成本，使該系列產(chǎn)品在價(jià)格上也具有競(jìng)爭(zhēng)力。

1 LSB INL以16位分辨率實(shí)現(xiàn)最高的精度；

2.5 V高精度內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，典型值為5 ppm /°C；

2.4 x 2.4 mm的BGA封裝是16位，多通道DAC可用的最小封裝；

圖2 單通道DAC與多通道DAC布局對(duì)比

這種小封裝的產(chǎn)品特點(diǎn)對(duì)于16通道數(shù)字邏輯分析儀，多通道電壓輸出電池測(cè)量?jī)x以及多通道半導(dǎo)體電壓電流測(cè)試設(shè)備有著非常大的優(yōu)勢(shì)，可以最大程度上降低對(duì)PCB布局的嚴(yán)格要求。也是新一代測(cè)試測(cè)量設(shè)備的一個(gè)重要需求方向。

2.高精度高集成度：

當(dāng)一個(gè)集成度較低的DAC在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中應(yīng)該考慮的因素較多。如圖3所示，DAC的獨(dú)立參考電壓由外部的標(biāo)準(zhǔn)供電生成，而且重要的是需要對(duì)參考電壓有著嚴(yán)格的要求，尤其是其溫漂性能以及負(fù)載偏移率；另外DAC的輸出增益調(diào)節(jié)也是需要有單獨(dú)的buffer進(jìn)行調(diào)理，同時(shí)高精度buffer的供電也要有低噪聲LDO供電；如果在單通道DAC基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多通道輸出，則不可避免的要引入多路復(fù)用器，正如前面所介紹的內(nèi)容，多路復(fù)用器的引入會(huì)在布板面積上占據(jù)過(guò)多的空間，而且必須要考慮的還有器件本身引入的噪聲以及通道間的干擾問(wèn)題。在高密度元器件布局的DSO中，過(guò)多的元器件也就意味著過(guò)多的損耗的增加，這不僅僅會(huì)增加整體電源的功率要求，同時(shí)也會(huì)由于過(guò)多的損耗導(dǎo)致局部溫升明顯，對(duì)于一些溫度參數(shù)較為敏感的元器件會(huì)因此犧牲過(guò)多的性能參數(shù)。

圖3 單通道DAC應(yīng)用系統(tǒng)圖

DACx0508 是低功耗八通道緩沖電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 引腳兼容系列中的一員，具有 16/14/12 分辨率。如圖4所示，DACx0508 包括一個(gè) 2.5V（5ppm/°C）內(nèi)部基電壓準(zhǔn)，消除了大多數(shù) 應(yīng)用中所需的外部精密基準(zhǔn)。用戶可選增益配置提供 1.25V（增益 = ?）、2.5V（增益= 1）或 5V（增益 = 2）滿量程輸出電壓。該器件由單個(gè) 2.7V 至 5.5V 電源供電，具有單調(diào)性，并能提供 ±1LSB INL 的高線性度。DACx0508 通過(guò)一個(gè)運(yùn)行時(shí)鐘速率高達(dá) 50MHz 的串行接口進(jìn)行通信。VIO 引腳使串行接口可在 1.7V 至5.5V 范圍內(nèi)運(yùn)行。DACx0508 靈活接口支持使用廣泛的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微處理器和微控制器。

DACx0508 采用了上電復(fù)位電路，以便進(jìn)行上電并將DAC 輸出保持在零電平或中間電平。該器件能耗低至 0.6mA/通道(5.5V) 的電流，因此非常適用于依靠電池供電的設(shè)備。如果按通道斷電功能分析，器件電流消耗量將降低至 15μA。

圖4 DAC80508應(yīng)用系統(tǒng)圖

在多功能，高集成度化的市場(chǎng)趨勢(shì)下，電池測(cè)試設(shè)備以及DSO中數(shù)字邏輯分析儀可以在很大程度上弱化對(duì)DAC外部電源與緩沖器的需求，集成的內(nèi)部增益參數(shù)配置使得DAC的輸出變得更加靈活，加上高精度的優(yōu)勢(shì)，使得這種高集成度的IC 越來(lái)越受市場(chǎng)的歡迎。

3.多通道無(wú)縫切換：

當(dāng)單通道DAC輸出多路模擬電壓量時(shí)搭配信號(hào)多路復(fù)用器使用時(shí)，尤其在不同的通道間進(jìn)行切換時(shí)，在其輸出端會(huì)產(chǎn)生微小電壓毛刺或反沖。該反沖與多路復(fù)用器的開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間、導(dǎo)通電阻以及負(fù)載電容成函數(shù)關(guān)系。具有低導(dǎo)通電阻的大開(kāi)關(guān)通常需采用大輸出電容，而每次輸入端開(kāi)關(guān)時(shí)，都必須將其充電至新電壓。如果輸出未能建立至新電壓，則將產(chǎn)生串?dāng)_誤差。因此，多路復(fù)用器帶寬必須足夠大，且多路復(fù)用器輸入端必須使用緩沖放大器或大電容，才能建立至滿量程階躍。此外，流過(guò)導(dǎo)通電阻的漏電流將產(chǎn)生增益誤差，因此這兩者都應(yīng)盡可能小。如果想詳細(xì)了解可以參考《模擬開(kāi)關(guān)和多路復(fù)用器基礎(chǔ)參數(shù)介紹》。

圖5 受鄰近切換通道影響的靜態(tài)通道的波形

從圖5中可以看出，靜態(tài)通道輸出上因?yàn)猷徑ǖ狼袚Q而出現(xiàn)尖峰。示波器在每個(gè)大約 100μs 的短時(shí)間段內(nèi)的測(cè)量結(jié)果為 ±3.5mV 左右。-85dB 的 MUX 通道間隔離應(yīng)會(huì)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生 ±1.7mV 左右的尖峰。

而如果采用DAC80508多通道DAC集成器件，則無(wú)需考慮外部多路復(fù)用器切換造成的影響，從DAC80508的數(shù)據(jù)表格（如圖6）中可以看到cross talk的參數(shù)，其DC crosstalk僅10uV。

圖6 DACx0508 通道間Crosstalk參數(shù)

同時(shí)，我們也可以從測(cè)試數(shù)據(jù)中得到各通道間的干擾情況，如圖7所示，這是在Gain = 1情況下進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果。

圖7 受鄰近切換通道影響的靜態(tài)通道的波形

從圖中可以看出，靜態(tài)通道輸出上也會(huì)存在因?yàn)猷徑ǖ狼袚Q而出現(xiàn)尖峰。但是示波器在大約 4μs 的短時(shí)間段內(nèi)的測(cè)量結(jié)果為 400uV MAX。同時(shí)也不要忽略由于示波器精度的原因而產(chǎn)生的誤差。從對(duì)比結(jié)果上也能清楚的看到，在多通道集成的DAC80508擁有優(yōu)秀的crosstalk性能，為多通道模擬輸出提供較高的性能提升。這種多通道獨(dú)立模擬輸出架構(gòu)，會(huì)有效降低通道切換時(shí)引入的尖峰電壓。在DSO中的16通道數(shù)字邏輯分析儀，以及用于調(diào)節(jié)偏置的多路參考電壓的生成擁有先天的低噪，低干擾的優(yōu)勢(shì)。詳細(xì)內(nèi)容可以參考：DAC80508 Reference Design

綜上所述，DAC80508 多通道 16bit 高精度，集成參考電壓，增益調(diào)節(jié)，寬電壓范圍輸出的新一代DAC產(chǎn)品，憑借其特有的性能指標(biāo)，將有效提高測(cè)試測(cè)量設(shè)備的產(chǎn)品性能。