高速DAC接口基本原理詳解

　　本文概述與內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源、模擬輸出、數(shù)字輸入和時鐘驅(qū)動器的DAC接口電路相關(guān)的一些重要問題。由于ADC也需要基準(zhǔn)電壓源和時鐘，因此本文中與這些主題相關(guān)的大多數(shù)概念同樣適用于ADC。

　　DAC基準(zhǔn)電壓

　　越來越多的人簡單地將DAC視作具有數(shù)字輸入和一個模擬輸出的器件。但模擬輸出取決于 是否存在稱為基準(zhǔn)電壓源的模擬輸入，且基準(zhǔn)電壓源的精度幾乎始終是DAC絕對精度的限 制因素。在匹配基準(zhǔn)電壓源和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器時，基準(zhǔn)電壓源向?qū)В╒oltage Reference Wizard）等 設(shè)計工具非常有用。如需獲取這些工具及其它，請訪問ADI公司網(wǎng)站的設(shè)計中心（Design Center）部分。

　　有些ADC和DAC內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源，而有些則沒有。有些ADC使用電源作為基準(zhǔn)電壓源。 不幸的是，與ADC/DAC基準(zhǔn)電壓源相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是少之又少。有些情況下，內(nèi)置基準(zhǔn)電壓 源的轉(zhuǎn)換器通?？梢酝ㄟ^以更為精密和穩(wěn)定的外部基準(zhǔn)電壓源覆蓋或替換內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源 來提高直流精度。其它情況下，通過使用外部低噪聲基準(zhǔn)電壓源，也可以改善高分辨率 ADC的無噪聲碼分辨率。

　　各種各樣的ADC和DAC以各種各樣的方式支持使用外部基準(zhǔn)電壓源來替代內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。圖1所示為一些常見配置（但顯然并不是全部）。

　　圖1A所示為需要外部基準(zhǔn)電壓源的轉(zhuǎn) 換器。通常建議在ADC/DAC REF IN引腳附近添加合適的去耦電容?；鶞?zhǔn)電壓源數(shù)據(jù)手冊 中通常指定了合適的電容值。另外，基準(zhǔn)電壓源在使用必要的容性負(fù)載時保持穩(wěn)定是非常 重要的。

　　圖1B所示為內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源的轉(zhuǎn)換器，其中基準(zhǔn)電壓源也引出到器件上的某個引腳。這 樣，只要負(fù)載不超過額定值，就可以在電路中的其它位置上使用該器件。另外，還要在轉(zhuǎn) 換器引腳附近放置電容。如果內(nèi)置基準(zhǔn)電壓源可以通過引腳輸出來供外部使用，ADC或 DAC數(shù)據(jù)手冊上通常會指定其精度、穩(wěn)定性和溫度系數(shù)。

　　如果是要在電路中的其它位置上使用基準(zhǔn)輸出，則必須嚴(yán)格遵守與扇出和負(fù)載相關(guān)的數(shù)據(jù) 手冊規(guī)格。此外，必須小心地進行基準(zhǔn)輸出布線，從而最大程度地減少噪聲拾取。很多情 況下，應(yīng)直接在REF OUT引腳處連接合適的運算放大器緩沖器，然后再扇出至電路的各種 其它部分。

　　圖1C所示為采用內(nèi)部或外部基準(zhǔn)電壓源但需要額外封裝引腳的轉(zhuǎn)換器。如果使用的是內(nèi) 部基準(zhǔn)電壓源（如圖1C），REF OUT只需外部連接到REF IN并根據(jù)需要進行去耦。

　　如果使用 的是外部基準(zhǔn)電壓源（如圖1D），REF OUT保持懸空，且外部基準(zhǔn)電壓源經(jīng)過去耦后施加于 REF IN引腳。這種配置相當(dāng)靈活，可使用相同的基準(zhǔn)電壓源來驅(qū)動類似的ADC或DAC， 從而實現(xiàn)器件之間的良好跟蹤性能。

　　圖1E所示為使用單個封裝引腳以外部基準(zhǔn)電壓源來覆蓋驅(qū)動內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源的配置。電阻 R的值通常為數(shù)kΩ，因此允許通過將低阻抗外部基準(zhǔn)電壓源連接到REF OUT/IN引腳來覆 蓋驅(qū)動內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。圖1F顯示的是如何連接外部基準(zhǔn)電壓源來覆蓋內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。

　　圖1所示的配置并不是ADC和DAC基準(zhǔn)電壓源的唯一配置；欲了解有關(guān)選項、扇出和去耦 等的詳細(xì)信息，請查閱相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊。

　　雖然基準(zhǔn)電壓源元件本身可以是帶隙型、嵌入式齊納型或XFET?型，但實際上所有基準(zhǔn)電 壓源都具有某種類型的輸出緩沖器運算放大器。運算放大器將基準(zhǔn)電壓源元件與輸出端隔 離開來并還提供驅(qū)動功能。不過，這種運算放大器必須遵守與運算放大器穩(wěn)定性相關(guān)的一 般通則，而這就是基準(zhǔn)電壓源去耦話題與本文討論相關(guān)的原因所在。

　　注意，ADC或DAC的基準(zhǔn)電壓輸入與ADC的模擬輸入相似，因為內(nèi)部轉(zhuǎn)換過程可以在該 引腳處注入瞬態(tài)電流。這就要求進行充分去耦來穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓。添加此類去耦功能可能導(dǎo) 致某些類型的基準(zhǔn)電壓源中出現(xiàn)不穩(wěn)定，具體取決于輸出運算放大器設(shè)計。當(dāng)然，基準(zhǔn)電 壓源數(shù)據(jù)手冊可能并不會給出輸出運算放大器的任何詳細(xì)信息，而這在一定程度上讓設(shè)計 人員陷入兩難境地，擔(dān)心是否能夠保持穩(wěn)定且不會產(chǎn)生瞬態(tài)誤差。很多情況下，ADC或 DAC數(shù)據(jù)手冊將會推薦合適的外部基準(zhǔn)電壓源和建議的去耦網(wǎng)絡(luò)。

　　設(shè)計良好的基準(zhǔn)電壓源可以在采用重容性去耦時保持穩(wěn)定。不幸的是，有些基準(zhǔn)電壓源并 不能做到這點，并且電容越大，瞬態(tài)響鈴振蕩量實際上會增加。由于轉(zhuǎn)換器幾乎都需要一 定的本地去耦，因此此類基準(zhǔn)電壓源在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中實際上毫無用處。

　　基準(zhǔn)電壓源和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器之間可以添加合適的運算放大器緩沖器。不過，有很多品質(zhì)良好 的基準(zhǔn)電壓源可以在使用輸出電容時保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)選擇這種類型的基 準(zhǔn)電壓源，而不是進一步提高運算放大器的復(fù)雜性和成本。

　　DAC模擬輸出考慮因素

　　DAC的模擬輸出可能是電壓或電流。兩者情況下，可能都需要知道輸出阻抗。如果對電壓 輸出進行了緩沖，則輸出阻抗將很低。而電流輸出和未緩沖的電壓輸出將存在較高阻抗， 并還可能具有電抗性分量以及純粹的電阻性分量。在有些DAC架構(gòu)的輸出結(jié)構(gòu)中，輸出阻 抗與DAC上的數(shù)字碼字成函數(shù)關(guān)系，這點應(yīng)會在數(shù)據(jù)手冊中明確注明。

　　理論上，電流輸出應(yīng)當(dāng)連接到電阻為零歐姆的地電位。在實際應(yīng)用中，該輸出將采用非零 阻抗和電壓。“順從性”標(biāo)題下只是定義了該輸出可耐受的電壓偏差大小，端接電流輸出 DAC時應(yīng)當(dāng)注意到此項技術(shù)規(guī)格。

　　適合視頻、RF或IF應(yīng)用的大多數(shù)高速DAC具有電流輸出，旨在直接驅(qū)動源和負(fù)載端接電 纜。例如，20-mA電流輸出DAC可以在25-Ω負(fù)載（相當(dāng)于50-Ω源和負(fù)載端接電纜的直流電 阻）上產(chǎn)生0.5 V的電壓。大多數(shù)情況下，單電源高速CMOS DAC具有至少+1 V的正輸出順 從電壓和數(shù)百毫伏的負(fù)輸出順從電壓。

　　很多情況下（如TxDAC?系列），同時支持真正電流輸出和互補電流輸出。差分輸出可以直 接驅(qū)動變壓器的初級繞組，并且通過將輸出繞組的一側(cè)接地，可以在次級繞組處產(chǎn)生單端 信號。與簡單地從DAC電流輸出之一直接獲取輸出信號并將其它輸出接地相比，這種方法 通?？梢栽诟哳l率下獲得更佳失真性能。

　　現(xiàn)代電流輸出DAC通常具有數(shù)個差分輸出，以便實現(xiàn)高共模抑制并減少偶數(shù)階失真產(chǎn)物。 常見的滿量程輸出電壓范圍為2 mA至30 mA。

　　在許多應(yīng)用中，需要將DAC的差分輸出轉(zhuǎn)換成適合驅(qū)動同軸線路的單端信號。只要無需低 頻響應(yīng)，那么通過RF變壓器便可輕松地實現(xiàn)這點。圖2所示為這種方法的典型示例。DAC 的高阻抗電流輸出與50 Ω電阻差分端接，從而將變壓器的源阻抗定義為50 Ω。

　　所得到的差分電壓驅(qū)動1:1 RF變壓器的初級繞組，從而在次級繞組的輸出端產(chǎn)生單端電 壓。50 Ω LC濾波器的輸出與50 Ω負(fù)載電阻RL相匹配，進而最終產(chǎn)生1 Vp-p的輸出電壓。

　　變壓器不僅用于將差分輸出轉(zhuǎn)換成單端信號，而且還將DAC的輸出與LC濾波器的抗性負(fù) 載隔離開來，因而可以改善整體失真性能。

　　需要低至DC的頻率響應(yīng)時，可以連接運算放大器作為差分轉(zhuǎn)單端轉(zhuǎn)換器來獲取單端輸 出。 在圖3中，運算放大器AD8055用于實現(xiàn)高帶寬和低失真。電流輸出DAC驅(qū)動平衡的 25 Ω阻性負(fù)載，從而在各輸出端產(chǎn)生0至+0.5 V的錯相電壓。這項技術(shù)用于代替直接I/V轉(zhuǎn) 換，從而防止高壓擺率DAC電流導(dǎo)致放大器過載和引入失真。必須小心地處理使DAC輸 出電壓位于其順從電壓額定值范圍之內(nèi)。

　　AD8055的增益配置為2，以最終產(chǎn)生2 V p-p且以地電壓為基準(zhǔn)的單端輸出電壓。注意，由 于輸出信號擺幅高于/低于地，因此需要采用雙電源運算放大器。

　　CFILTER電容構(gòu)成具有50 Ω等效差分輸出阻抗的差分濾波器。此濾波器可減少運算放大器的 任何壓擺率型失真，而該濾波器的最佳截止頻率是憑經(jīng)驗來確定的，旨在獲得最佳整體失 真性能。

　　只要運算放大器的共模電壓設(shè)為中間電源電壓（+2.5 V），則圖3中的電路經(jīng)過改良后可以采 用單電源供電。具體如圖4所示，其中使用的是運算放大器AD8061。輸出電壓為2 Vp-p且 以共模電壓+2.5 V為中心。此共模電壓可以使用電阻分壓器從+5 V電源產(chǎn)生，或直接從 +2.5 V基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生。如果使用+5 V電源來提供共模電壓，則必須進行深度去耦，以免 放大電源噪聲。

　　單端電流電壓轉(zhuǎn)換

　　通過使用單個運算放大器作為I/V轉(zhuǎn)換器，便可輕松執(zhí)行單端電流電壓轉(zhuǎn)換，如圖5所 示。AD768的10 mA滿量程DAC電流輸出可以在200 Ω RF電阻上產(chǎn)生0至+2 V的輸出電 壓。

　　通過驅(qū)動AD8055運算放大器的虛擬地，可以最大程度地減少因DAC輸出阻抗中的非線性 而導(dǎo)致的任何失真。實際上，這種類型的DAC大多數(shù)都使用I/V轉(zhuǎn)換器進行過工廠調(diào)整。

　　但是應(yīng)注意，與差分工作模式相比，以這種方式使用DAC的單端輸出時，共模抑制性能將 下降，且2階失真產(chǎn)物將增加。

　　CF反饋電容應(yīng)當(dāng)進行優(yōu)化，以在電路中實現(xiàn)最佳脈沖響應(yīng)。圖中給出的等式僅供參考。

　　基于R-2R的電流輸出DAC的輸出阻抗與碼字有關(guān)，因此其輸出必須驅(qū)動運算放大器的虛 擬地，以便維持線性。16/14位DAC AD5545/AD5555都是此種架構(gòu)的很好范例。圖6所示為 一種合適的接口電路，其中ADR03用作2.5 V基準(zhǔn)電壓源，而AD8628斬波穩(wěn)定運算放大器 用作輸出I/V轉(zhuǎn)換器。

　　外部2.5 V基準(zhǔn)電壓源決定滿量程輸出電流0.5 mA。注意，5 kΩ反饋電阻包含在DAC內(nèi)，且 無需外部電阻，即可增加溫度穩(wěn)定性。因此，運算放大器的滿量程輸出電壓為–2.5 V。CF 反饋電容補償DAC輸出阻抗，因此應(yīng)當(dāng)選擇來優(yōu)化脈沖響應(yīng)，起點通常為20 pF。

　　差分電流轉(zhuǎn)差分電壓轉(zhuǎn)換

　　如果要求從電流輸出DAC獲得緩沖差分電壓輸出，則可以使用AD813x系列差分放大器， 如圖7所示。

　　DAC輸出電流首先流過25 Ω電阻而轉(zhuǎn)換成電壓。接著，使用AD8138將電壓放大5倍。這 項技術(shù)用于代替直接I/V轉(zhuǎn)換，從而防止高壓擺率DAC電流導(dǎo)致放大器過載和引入失真。 必須小心地處理使DAC輸出電壓位于其順從電壓額定值范圍之內(nèi)。

　　AD8138的VOCM輸入可用于設(shè)置AD8138規(guī)格范圍內(nèi)的最終輸出共模電壓。通過添加一 對75 Ω串聯(lián)輸出電阻，將允許驅(qū)動傳輸線路。

　　DAC數(shù)據(jù)輸入考慮因素

　　最早的單芯片DAC幾乎不包含邏輯電路，且數(shù)字輸入必須維持并行數(shù)據(jù)，才能維持?jǐn)?shù)字 輸出。而今，幾乎所有DAC都會被鎖存，且只需向其中寫入數(shù)據(jù)，而不用去維持。有些 器件甚至具有非易失性鎖存器并可在關(guān)斷時記住設(shè)置。

　　DAC輸入結(jié)構(gòu)存在無數(shù)變化形式，本文將不一一介紹，但幾乎所有都稱為“雙緩沖”。栓 緩沖DAC具有兩組鎖存器。數(shù)據(jù)最初鎖存在第一級中，然后傳輸?shù)降诙?，如圖8所示。 這種配置非常有用，具體有以下幾種原因。

　　首先，其允許以多種不同方式將數(shù)據(jù)輸入DAC。如果DAC沒有鎖存器或具有一個鎖存 器，則必須以并行方式同時加載所有位，否則其加載期間的輸出可能會與其實際內(nèi)容或 目標(biāo)內(nèi)容完全不同。然而，雙緩沖DAC可以加載并行數(shù)據(jù)、串行數(shù)據(jù)、4位或8位字或任 何其它內(nèi)容，并且在新數(shù)據(jù)加載完成且DAC收到更新指令之前，輸出不會受到影響。

　　雙緩沖DAC的另一項優(yōu)勢在于，通過以并行方式驅(qū)動所有開關(guān)并以DAC輸出數(shù)據(jù)速率更 新單個鎖存器，可以最大程度地減少各個開關(guān)之間的時間偏斜。這樣可以最大程度地減 少毛刺脈沖并改善失真性能。

　　雙緩沖結(jié)構(gòu)的第三項優(yōu)勢是可以同步更新多個DAC。數(shù)據(jù)依次載入各DAC的第一級，當(dāng) 一切就緒之后，即會同時更新所有DAC的輸出緩沖器。在許多DAC應(yīng)用中，數(shù)個DAC的 輸出必須同時變化，而通過雙緩沖結(jié)構(gòu)可以非常輕松地實現(xiàn)這點。

　　早期的單芯片高分辨率DAC大多數(shù)具有并行或字節(jié)寬數(shù)據(jù)端口，并且往往連接到并行數(shù) 據(jù)總線和地址解碼器，然后作為極小的只寫存儲器由微控制器進行尋址。（有些并行DAC 并不是只能寫入內(nèi)容，而且還可以進行讀?。贿@點對于一些應(yīng)用來說非常方便，但并不 是非常常見。）DAC連接到數(shù)據(jù)總線時，總線的邏輯噪聲容易容性耦合到模擬輸出，因此 而今許多DAC采用串行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)更不容易受到上述噪聲的影響（因為涉及到的 噪聲引腳更少）且使用的引腳更少，因此占用的電路板空間也更少；在與現(xiàn)代微控制器（大 多數(shù)具有串行數(shù)據(jù)端口）搭配使用時，這類結(jié)構(gòu)通常更為方便。此類串行DAC有些（但并 非全部）具有數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)輸入，因此數(shù)個DAC可以串聯(lián)連接，而數(shù)據(jù)則通過單個數(shù)據(jù) 端口逐個輸入所有這些器件。這種配置通常稱為“菊花鏈”。

　　串行DAC支持語音頻帶和語音頻率更新速率。例如，以192 kSPS速率更新的24位數(shù)字音頻 要求串行端口傳輸速率至少達到24 × 192 kSPS = 46.08 MSPS，而CMOS邏輯可以輕松處理 該速率。不過，涉及到更新速率時，由于所需的串行數(shù)據(jù)傳輸速率過高，因此必須采用 并行DAC。

　　當(dāng)并行數(shù)據(jù)速率超過約100 MSPS時，由于不太可能會產(chǎn)生CMOS邏輯電平以上的瞬變干 擾，因此通常使用低電平電流模式差分邏輯（PECL、較低級別的PECL或LVDS等）（見圖 9）。這樣可幫助最大程度地減少因碼相關(guān)毛刺而產(chǎn)生的失真。例如，AD9734/AD9735/ AD9736 DAC系列采用1.2 GSPS并接受LVDS輸入邏輯電平。片上包含特殊電路，以確保 輸入數(shù)據(jù)相對于DAC時鐘具有正確時序

　　DAC時鐘考慮因素

　　ADC寬帶孔徑抖動tj、轉(zhuǎn)換器SNR和滿量程正弦波模擬輸入頻率 f之間的關(guān)系如下：

　　這種關(guān)系同樣適用于重構(gòu)DAC。該等式假定使用的是理想ADC/DAC，其中唯一誤差源是 時鐘抖動。SNR測量的帶寬為奈奎斯特帶寬DC至f c /2，其中f c 是DAC更新速率。注意，等 式1還假定采用的是滿量程正弦波輸出。因抖動而產(chǎn)生的誤差與輸出信號的壓擺率成比 例，即正弦波幅度越小且壓擺率相應(yīng)越小，所產(chǎn)生的SNR值就越大（相對于滿量程）。

　　應(yīng)注意，等式1中的t j 是采樣時鐘抖動t jc和ADC內(nèi)部孔徑抖動t ja兩者相加；這兩個術(shù)語并不 相關(guān)，因此是在方和根（rss）基礎(chǔ)上相加的：

　　另一方面，高速重構(gòu)DAC并未內(nèi)置采樣保持放大器，因此沒有內(nèi)部孔徑抖動規(guī)格。雖然 DAC存在內(nèi)部時鐘抖動分量，但由于主要抖動源是外部時鐘抖動， 通常并不測量或指定 該分量。

　　圖10繪制出了等式1的曲線圖并以圖形形式顯示了各種滿量程模擬輸出頻率抖動如何導(dǎo)致 SNR下降（注意，此處假定tj包含所有抖動源，包括內(nèi)部DAC抖動）。例如，如果70 MHz IF 輸出頻率需要維持12位SNR （74 dB），時鐘抖動必須小于0.45 ps（見等式1）。

　　有效位數(shù)（ENOB）和信納比（SINAD）之間存在非常有用的關(guān)系， 具體如下：

　　圖10左側(cè)垂直軸上的SNR值已經(jīng)使用等式4轉(zhuǎn)換成右側(cè)垂直軸上的ENOB值。

　　為了顯示這些抖動值的重要性，請考慮與一組邏輯門相關(guān)的均方根（RMS）抖動典型值，如 圖11所示。74LS00、74HCT00和74ACT00的值都是采用參考文獻1第5章所述的方法以高 性能ADC（孔徑抖動小于0.2-ps rms）測得的，其中抖動是從因多個相同門串聯(lián)而導(dǎo)致的FFT SNR降低計算得出的。然后，通過除以串聯(lián)門總數(shù)的平方根，便可計算出單個門所造成 的抖動。制造商給出了MC100EL16和NBSG16的抖動數(shù)據(jù)。

　　圖12顯示的是與圖10相同的數(shù)據(jù)，但其中針對各種分辨率要求繪制出與模擬輸出頻率成 函數(shù)關(guān)系的最大允許抖動。根據(jù)最大輸出頻率和ENOB中所需分辨率來選擇采樣時鐘發(fā)生 器類型，應(yīng)以此圖片作為大概準(zhǔn)則。具有標(biāo)準(zhǔn)VCO的PLL方法就是產(chǎn)生采樣時鐘的一種 不錯方式，其中均方根（RMS）抖動要求大約為1 ps或以上。不過，亞皮秒抖動要求采用基 于VCXO的PLL或?qū)Ｓ玫驮肼暰w振蕩器。“教程MT-008”介紹了如何將振蕩器相位噪聲轉(zhuǎn) 換成抖動。

　　這部分介紹了假設(shè)抖動僅由內(nèi)部DAC抖動和外部時鐘抖動組成時SNR上的抖動效應(yīng)。不 過，無論DAC或采樣時鐘振蕩器的規(guī)格如何，不當(dāng)?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)可造成額外 的時鐘抖動，進而顯著降低動態(tài)性能。

　　若將采樣時鐘信號與具有噪聲的數(shù)字信號并行布線，肯定會因雜散耦合而導(dǎo)致性能下 降。實際上，若將來自并行輸出ADC的高速數(shù)據(jù)耦合到采樣時鐘，不僅會導(dǎo)致噪聲增 加，而且還可能造成額外的諧波失真，因為數(shù)字輸出瞬態(tài)電流包含的能量與信號有關(guān)。