快速精密DAC與高速DAC：異同

直流精度是高速DAC和快速精密DAC之間的主要區(qū)別。通常很難解釋這種差異的原因和影響，而且當(dāng)兩種類型的DAC提供相同的分辨率和相同的線性度時(shí)。甚至令人失望的是，快速精密DAC在更新速率方面僅觸及了高速DAC的下限。本博客介紹并分析了這兩種類型的DAC的異同。

事實(shí)上，快速精密DAC和高速DAC專為不同的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。圖 1 描述了它們的工作方式。

快速精密DAC旨在提供出色的直流精度，并在代碼之間快速、干凈地轉(zhuǎn)換。信號(hào)的“信息”包含在直流值中，優(yōu)點(diǎn)在于變化的速度。信號(hào)頻譜范圍從直流到幾十MHz;帶寬越高，DAC越快。然而，更高的帶寬意味著更多的噪聲添加到直流信號(hào)中，最終會(huì)使LSB無法辨別。

高速DAC設(shè)計(jì)用于在數(shù)百M(fèi)Hz寬甚至幾GHz的通帶內(nèi)提供出色的頻譜清潔度。信號(hào)信息包含在頻譜中，優(yōu)點(diǎn)是樣本的相干性。信號(hào)的頻譜被限制在某個(gè)頻段內(nèi)，只有該頻段的噪聲是相關(guān)的。只要噪聲密度保持不變，帶寬就可以增長以容納更多信號(hào)。

圖1. 快速精密DAC和高速DAC之間的頻譜差異

讓我們探討每種類型的轉(zhuǎn)換器如何面對(duì)常見的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

噪聲

雖然快速精密DAC可用于產(chǎn)生非常干凈的諧波信號(hào)，但在許多應(yīng)用中，目標(biāo)是一次性達(dá)到正確的值。如圖2所示，DAC在兩個(gè)代碼之間切換的信號(hào)具有快速步進(jìn)，然后緩慢收斂到所需值，稱為建立時(shí)間。為了充分利用DAC的分辨率，當(dāng)輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，峰值噪聲電平必須小于1 LSB。

圖2.快速精密DAC的建立和收斂。

如前所述，精密DAC將直流的所有噪聲累積到器件的帶寬，其中包括1/f噪聲和寬帶噪聲。更快的DAC需要更多的帶寬才能更快地建立，這意味著更多的噪聲，使得保持LSB的可辨別性變得更加困難。因此，快速精密DAC試圖將總噪聲功率降至最低，而高速DAC則試圖在目標(biāo)頻帶內(nèi)保持較低的噪聲密度，如圖1所示。

如果我們假設(shè)快速精密DAC中的峰值噪聲必須小于1 LSB，則可以得出結(jié)論，對(duì)于給定分辨率，峰值噪聲的速度是有限的。我們無法將噪聲降低到本底熱噪聲以下，因此這會(huì)限制信號(hào)的帶寬。

輸出信號(hào)與最終值的收斂最終遵循指數(shù)方法，而不管輸出驅(qū)動(dòng)器具有單極點(diǎn)或共軛極點(diǎn)。這是一個(gè)忽略非線性效應(yīng)的近似值，但了解預(yù)期性能的大致概念很有用?；谶@種方法，我們可以估計(jì)在給定時(shí)間內(nèi)建立到定義精度所需的帶寬。結(jié)果如圖3所示。例如，如果我們希望AD3552R在0 ns內(nèi)建立至1.100%精度，則需要外部TIA具有3 MHz的10dB帶寬。AD3552R是一款雙通道、33 MUPS精密DAC，采用外部TIA進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換。

圖3.1 所需的帶寬圣對(duì)電路進(jìn)行排序，以達(dá)到給定的建立時(shí)間，并具有指定的精度。

帶寬越大意味著噪聲越多，而且當(dāng)收集的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過3 dB截止頻率時(shí)。如果我們要求該噪聲的峰值必須小于1 LSB，我們可以計(jì)算出在給定的建立時(shí)間和DAC分辨率下我們可以承受的噪聲密度。這是使LSB可識(shí)別的要求。圖4中的曲線假設(shè)沒有1/f噪聲，等效噪聲帶寬（ENBW）對(duì)應(yīng)于一階電路。在 0V 范圍內(nèi)，建立時(shí)間精度為 1.5%。

圖4.DAC的最大噪聲密度，以便在給定分辨率下可辨別LSB。

圖4中的水平線表示1 kΩ電阻在25 °C（即4.1 nV/√Hz）時(shí)的熱噪聲密度。使用具有精密DAC的低阻值負(fù)載很困難，因?yàn)殡妷嚎缍群芨?，這意味著功率很大。

根據(jù)圖4中的曲線，在16 ns內(nèi)建立至0.1%的100位DAC需要低于5.6 nV/√Hz的噪聲密度，才能在5V范圍內(nèi)識(shí)別LSB。相反，如果DAC的噪聲密度為10 nV/√Hz，則為了保持LSB的可辨別性，它只能提供300 ns的建立時(shí)間。

圖5顯示了一個(gè)帶寬過大的DAC示例。從代碼更改為代碼足夠快，但總數(shù)會(huì)導(dǎo)致 LSB 步驟部分重疊。

圖5.在帶寬過高的DAC中，寬帶噪聲會(huì)導(dǎo)致LSB階躍部分重疊。

對(duì)于高速DAC，情況有所不同。這些器件設(shè)計(jì)用于在相干時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生帶限和周期性的信號(hào)。多音調(diào)制對(duì)每個(gè)載波帶寬內(nèi)的噪聲很敏感，因此總噪聲無關(guān)緊要。解調(diào)發(fā)生在一定時(shí)間內(nèi)，因此在此期間對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行平均，因此信號(hào)的點(diǎn)值無關(guān)緊要。調(diào)制信號(hào)通常是通帶，甚至看不到1/f噪聲?？傊咚貲AC更關(guān)心噪聲密度，而不是總噪聲功率。

建立時(shí)間

查看速度/精度權(quán)衡的另一種方法是，在給定帶寬下，信號(hào)在1 LSB以內(nèi)所需的時(shí)間。具有10 MHz帶寬的DAC的指數(shù)收斂誤差如圖6所示。

如果具有10 MHz帶寬的DAC產(chǎn)生滿量程步進(jìn)，則90 ns后的精度僅在1 LSB以內(nèi)8.如果我們希望信號(hào)精確到1 LSB16，我們必須等待 180 ns。如果我們希望DAC收斂得更快，我們需要更多的帶寬，這意味著更多的噪聲。在某些時(shí)候，增加帶寬是沒有回報(bào)的，因?yàn)樵肼暿筁SB無法辨別，從而導(dǎo)致有效位數(shù)的減少。

圖6.信號(hào)在給定分辨率的1 LSB以內(nèi)所需的時(shí)間，帶寬為10 MHz，不包括噪聲。

通常不需要高速DAC來產(chǎn)生全階躍響應(yīng)，因此數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常不提供此數(shù)據(jù)。它們主要用于多音調(diào)制，其中信號(hào)具有高斯幅度分布和有限的頻譜，因此不需要滿量程轉(zhuǎn)換。高帶寬允許在小信號(hào)中快速建立，但滿量程上升時(shí)間可能相當(dāng)大。表1顯示了AD3552R和AD9726之間的比較，AD9726是少數(shù)引用這些數(shù)據(jù)的高速DAC之一。AD16是一款400位、<> MHz寬帶DAC。

表 1.上升時(shí)間和建立時(shí)間比較

準(zhǔn)確性

精密DAC旨在驅(qū)動(dòng)電路，其中信號(hào)的直流值轉(zhuǎn)換為現(xiàn)實(shí)世界中的絕對(duì)電平或定位。此外，我們可以要求DAC快速，但最終必須保持精確。這在開環(huán)應(yīng)用中尤其重要，因?yàn)殚_環(huán)應(yīng)用中沒有反饋來執(zhí)行校正或沒有時(shí)間進(jìn)行此類操作。作為一次性應(yīng)用，DAC必須以絕對(duì)精度產(chǎn)生首次正確信號(hào)。

另一方面，高速DAC利用解調(diào)過程，其中信號(hào)不是在點(diǎn)上，而是在相干時(shí)間內(nèi)。因此，DAC需要產(chǎn)生具有良好精度的信號(hào)，但不一定是絕對(duì)的。在解調(diào)過程中，目標(biāo)頻帶外的噪聲將被忽略。信號(hào)在時(shí)域中可能看起來很嘈雜，但在頻域中仍然具有合理的噪聲水平。

圖 7 顯示了這兩個(gè)概念的比較。

圖7.快速精密DAC和高速DAC的精度要求。

結(jié)論

在處理快速精密DAC時(shí)，需要在速度和精度之間或帶寬和噪聲之間進(jìn)行權(quán)衡。建立速度越快意味著帶寬越大，從而將更多的噪聲傳輸?shù)捷敵鲂盘?hào)中，最終使LSB無法辨別。

此外，快速精密DAC需要在單次中再現(xiàn)準(zhǔn)確的信號(hào)，而高速DAC產(chǎn)生在較長時(shí)間內(nèi)進(jìn)行評(píng)估的信號(hào)。前者需要低總噪聲和滿量程捷變性，而后者需要低噪聲密度和良好的小信號(hào)帶寬。

審核編輯：郭婷