模擬工程師設(shè)計(jì)須知:常見的模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇方法 - 全文

　　很多應(yīng)用 (包括精密儀器、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備和自動(dòng)測試設(shè)備) 都需要高準(zhǔn)確度數(shù)模轉(zhuǎn)換。在 16 位分辨率時(shí)要求準(zhǔn)確度好于約 ±15ppm 或 ±1LSB 的電路中，設(shè)計(jì)師傳統(tǒng)上一直被迫使用大量校準(zhǔn)，以在所有情況下保持準(zhǔn)確度。新型高精度 DAC 使得能夠采用一個(gè)單片式 DAC 來實(shí)現(xiàn) ±4ppm 準(zhǔn)確度或 ±1LSB (在 18 位分辨率條件下)，而無需校準(zhǔn)。在本文中我們將對高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的選擇和使用過程中所涉及的問題進(jìn)行研究。

　　DAC 的架構(gòu)對于 DAC 的技術(shù)規(guī)格及其對電路板設(shè)計(jì)師的要求均有影響。為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，需要謹(jǐn)慎地考慮 DAC 上的電源、基準(zhǔn)和輸出放大器所產(chǎn)生的影響。

　　過采樣或增量累加 DAC

　　過采樣或 ΔΣ ADC 采用一個(gè)低分辨率 DAC (通常僅 1 位)，在其前后分別布設(shè)一個(gè)噪聲整形數(shù)字調(diào)制器和一個(gè)模擬低通濾波器。最準(zhǔn)確的商用增量累加 DAC 實(shí)現(xiàn) ±15ppm 的準(zhǔn)確度，但是需要 15ms 才能穩(wěn)定，并要承受相對較高的 1μV/√Hz 噪聲密度。其它可購得的過采樣 DAC 在 80us 內(nèi)穩(wěn)定，但是 INL 較差，大約為 240 ppm。

　　合成 DAC

　　通過結(jié)合兩個(gè)較低分辨率的單片 DAC，有可能構(gòu)成一個(gè)高分辨率的合成 DAC。請注意，粗略 DAC 的分辨率和精細(xì) DAC 的范圍需要重疊，以確保所有想要的輸出電壓都可實(shí)現(xiàn)。粗略 DAC 的準(zhǔn)確度和漂移一般將限制合成 DAC 的最終準(zhǔn)確度，因此要提高準(zhǔn)確度，就需要對合成 DAC 轉(zhuǎn)移函數(shù)的特性和軟件進(jìn)行校正。也可能需要頻率校準(zhǔn)，以校正隨溫度、時(shí)間、濕度和機(jī)械壓力產(chǎn)生的變化導(dǎo)致的漂移。

　　電阻串 DAC

　　電阻串 DAC 采用具有 2N 個(gè)分接點(diǎn)的一系列電阻分壓器，以實(shí)現(xiàn) N 位分辨率。采用電阻串架構(gòu)的單片 16 位 DAC 一般含有一個(gè)較低分辨率的電阻串 DAC 和一個(gè)范圍較小的 DAC，范圍較小的 DAC 用于插入串器件之間，以實(shí)現(xiàn) 16 位分辨率。這種串+內(nèi)插器方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，DAC 輸出具有固有的單調(diào)性，無需微調(diào)或校準(zhǔn)。

　　這類 DAC 的基準(zhǔn)輸入阻抗一般很高 (50KΩ～ 300kΩ)，而且不受輸入代碼的影響，從而有可能使用一個(gè)非緩沖型基準(zhǔn)。因?yàn)殡娮璐妮敵鲎杩闺S輸入代碼變化，所以大多數(shù)電阻串 DAC 含有集成的輸出緩沖器放大器，以驅(qū)動(dòng)電阻性負(fù)載。

　　盡管電阻串 DAC 的 DNL 本身非常好，但是 INL 由串聯(lián)電阻器件的匹配決定，而且可能由于含有大量的獨(dú)立器件而難以控制。直到最近，這類 DAC 的準(zhǔn)確度一直限制在約 ±180ppm。最近的進(jìn)步已經(jīng)使得準(zhǔn)確度提高到了 ±60ppm。例如，LTC2656 在 4mm x 5mm 封裝中集成了 8 個(gè) DAC 通道，在 16 位分辨率時(shí)具有 ±4LSB 的最大 INL。

　　阻性梯形或 R-2R 型 DAC

　　阻性梯形或 R-2R DAC 采用一種類似于圖 2 所示的三端子結(jié)構(gòu)，電阻器在 A 端和 B 端之間切換。請注意，A 端和 B 端上的阻抗與代碼的相關(guān)性很高，而 C 端則具有一個(gè)固定阻抗。電阻器與開關(guān)的匹配情況將會(huì)影響這種結(jié)構(gòu)的單調(diào)性和準(zhǔn)確度。此類 DAC 一般經(jīng)過修整或在出廠時(shí)經(jīng)過校準(zhǔn)，而且，具 ±1LSB INL 和 DNL 的單調(diào) 16 位阻性梯形電路 DAC 上市已有很長時(shí)間了。

　　電壓輸出 R-2R DAC

　　一種常見類型的 R-2R DAC 將C 端用作 DAC 輸出電壓，而 A 端連接到基準(zhǔn)，B 端連接到地。輸出阻抗相對于輸入代碼是恒定的，從而有可能以非緩沖方式驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載。例如，LTC2641 16 位 DAC 能以非緩沖方式驅(qū)動(dòng) 60kΩ 負(fù)載，同時(shí)保持 ±1LSB 的 INL 和 DNL，并消耗不到 200μA 的電源電流。

　　這種方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，基準(zhǔn)阻抗隨著輸入代碼大幅變化。由于 R-2R 梯形電路的本質(zhì)，甚至 DAC 輸出電壓中很小的變化也可能在基準(zhǔn)電流中引起 1mA 或更大的階躍變化。為此，必須由一個(gè)高性能放大器來對基準(zhǔn)進(jìn)行緩沖，并采用一種非常精細(xì)和針對性的檢測電路布局，以限制穩(wěn)定、干擾脈沖和線性度性能的最終劣化。

　　當(dāng)一個(gè)輸出緩沖器放大器和一個(gè)電壓輸出 R-2R DAC 一起使用時(shí)，該放大器的開環(huán)增益和大信號(hào)共模抑制必須足夠高，以保持輸出的線性度 (在 18 位時(shí) >110dB)。輸出緩沖器的失調(diào)和輸入偏置電流將主要以 DAC 輸出偏移的形式出現(xiàn)，但是這些參數(shù)在輸入共模范圍內(nèi)的任何變化都將以附加的 INL 誤差形式出現(xiàn)。

　　請注意，在正和負(fù)基準(zhǔn)開關(guān)之間有必要保持匹配的阻抗，以保持 DAC 線性度。因?yàn)?CMOS 開關(guān)阻抗是電壓和溫度的函數(shù)，因此這給 DAC 的準(zhǔn)確度帶來了挑戰(zhàn)，尤其是在低電源電壓時(shí)?？刹捎眠@種架構(gòu)的 18 位 DAC 的 PSRR 被限制在約 64dB。結(jié)果，隨著時(shí)間、溫度、電壓和負(fù)載狀況的變化，電源必須在約 0.5% 的范圍內(nèi)保持恒定，以保持 18 位性能。在工作溫度范圍內(nèi)，這類 DAC 的 INL 可以預(yù)期以 ±0.5LSB 或更大的幅度漂移。

　　迄今為止，當(dāng)采用一個(gè)5V電源時(shí)，運(yùn)用該架構(gòu)和一個(gè)集成輸出放大器的18位DAC的性能一直被限制為±2LSB INL(在18位)。采用3V電源時(shí)，其性能將進(jìn)一步限制為±3LSB INL(在18位)，且單調(diào)性下降至 17位。

　　電流輸出 R-2R DAC

　　對于高準(zhǔn)確度應(yīng)用來說，這種架構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)?；鶞?zhǔn)阻抗是恒定的，可以用非緩沖型基準(zhǔn)或一個(gè)慢速低精確度運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)。因?yàn)?A 端和 B 端處于相同的地電位，所以保持匹配的開關(guān)阻抗相對容易，甚至在出現(xiàn)電源電壓和溫度變化時(shí)也一樣。結(jié)果，精確的電流輸出 R-2R DAC 具有卓越的 PSRR 和溫度漂移性能。

　　與電流輸出 R-2R DAC 一起使用的輸出放大器需要高開環(huán)增益 (在 18 位時(shí) >110 dB) 和低失調(diào)電壓。A 端和 B 端之間的任何偏移都將產(chǎn)生一種取決于代碼的誤差電流，該誤差電流將以 INL 誤差的形式出現(xiàn)。輸出緩沖器的輸入偏置電流不那么重要，主要以 DAC 輸出偏移的形式出現(xiàn)。因?yàn)閮蓚€(gè)輸入都始終處于地電位，所以放大器的共模抑制不重要。

　　在 16 位時(shí)實(shí)現(xiàn) ±1LSB INL 的電流輸出 R-2R DAC 長久以來一直可以普遍購得，凌力爾特公司提供一種新的 18 位 DAC 系列，在 18 位分辨率時(shí)實(shí)現(xiàn) ±4ppm 的準(zhǔn)確度或 ±1LSB 的最大 INL，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)有保證 。LTC2757 提供并聯(lián)接口，可立即購得。LTC2756/8 單和雙通道 SPI DAC 計(jì)劃在未來數(shù)月內(nèi)推出。在 18 位時(shí)，LTC2757 從 -40℃～+85℃的典型 INL 漂移不到 ±0.2LSB，高達(dá) 96dB 的 PSRR 使輸出對電源變化不敏感。

　　緩沖型與非緩沖型 DAC 輸出

　　有些高度準(zhǔn)確的 DAC 在 DAC 內(nèi)部集成了輸出放大器，而其它一些這類放大器則需要一個(gè)外部運(yùn)算放大器。在這兩種情況下，大多數(shù) DAC 都提供集成的電平移動(dòng)和反饋電阻器，以不再需要精確的外部器件。集成輸出放大器的主要優(yōu)點(diǎn)是占板面積小和使用方便。成本通常不是首要因素，因?yàn)橥獠糠糯笃髌骷ǔ１?DAC 本身便宜得多。

　　設(shè)計(jì)師應(yīng)該意識(shí)到，一個(gè)集成的輸出放大器也許會(huì)損害設(shè)計(jì)靈活性。內(nèi)部放大器提供的輸出擺幅、速度、噪聲和功率合起來，不可能對于多種應(yīng)用來說都是最佳的。例如，一個(gè)集成的單電源輸出放大器在靠近電源軌時(shí)將遭遇準(zhǔn)確度下降問題，因此設(shè)計(jì)師必須提供電平移動(dòng)差分基準(zhǔn)，以利用全部的 DAC 代碼范圍。如果內(nèi)部放大器的負(fù)反饋輸出不可使用，則有可能無法針對大容性負(fù)載來補(bǔ)償輸出環(huán)路，或增設(shè)一個(gè)外部緩沖器而不引入第二個(gè)反饋環(huán)路，對于那些需要一個(gè)較寬輸出擺幅或較高負(fù)載電流的用戶來說，他們將會(huì)由于增設(shè)一個(gè)具有與內(nèi)部放大器環(huán)路相串聯(lián)的獨(dú)立反饋環(huán)路的外部放大級(jí)，而導(dǎo)致準(zhǔn)確度、噪聲和功耗等性能的損失。

　　具有一個(gè)外部放大器的非緩沖型 DAC 一般實(shí)現(xiàn)最佳性能。多種可購得的器件給設(shè)計(jì)師提供了自由，可對給定的應(yīng)用選擇一個(gè)具有最佳準(zhǔn)確度、速度、噪聲和功率的解決方案。

　　選擇輸出放大器

　　當(dāng)選擇與 LTC2757 等準(zhǔn)確的電流輸出 DAC 一起使用的放大器電路時(shí)，失調(diào)電壓是一個(gè)重要的考慮因素。DAC 線性度對放大器失調(diào)的敏感性取決于 DAC 的實(shí)現(xiàn)方式，制造商應(yīng)該在數(shù)據(jù)表中描述清楚。就 LTC2757 而言，±80μV 的失調(diào)電壓將在 DAC 輸出引起約 ±1LSB 的 INL 誤差。

　　要實(shí)現(xiàn)最佳的 DC 準(zhǔn)確度，最簡單的解決方案是采用低失調(diào) (<10μV) 自動(dòng)調(diào)零放大器 (如 LTC1150 或 LTC2054)。對于較寬的輸出擺幅來說，可以在環(huán)路中納入諸如 LT1010 等第二個(gè)緩沖器放大器。LT1012 是一個(gè)良好的中間輸出放大器，以低功率 (11.4mW) 實(shí)現(xiàn)中等速度 (120μs 穩(wěn)定時(shí)間) 和良好的準(zhǔn)確度 (±25μV 失調(diào))。

　　對于高速應(yīng)用來說，一個(gè)良好的選擇是 LTC1468-2，該器件在 18 位時(shí)以 2μs 時(shí)間將 10V 階躍穩(wěn)定在 ±1LSB 之內(nèi)。請注意，±75μV 的最大失調(diào)將在 DAC 輸出端使 INL 劣化高達(dá) ±0.9LSB。對于需要較高準(zhǔn)確度的高速應(yīng)用來說，放大器失調(diào)可以用數(shù)字電位器來消除。

　　要在高速且未采用消除失調(diào)的措施時(shí)實(shí)現(xiàn)最佳準(zhǔn)確度，合成的放大器電路是一個(gè)良好的選擇。例如，LTC2054 用作積分器來消除放大器失調(diào)。在輸出轉(zhuǎn)換時(shí)，LTC6240 最大限度地降低積分器輸入的干擾，以避免擾亂低頻通路。請注意，跨 1kΩ 電阻器的任何 DC 電流都以失調(diào)電壓的形式出現(xiàn)，會(huì)引起 INL 誤差，因此 LTC6240 具有低輸入偏置電流很重要。LTC1360 提供寬的輸出擺幅。這樣產(chǎn)生的合成放大器以 16μV/√Hz 的噪聲密度在 8us 的時(shí)間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。

　　結(jié)論

　　盡管很多 DAC 架構(gòu)都允許用戶實(shí)現(xiàn) 18 位分辨率和單調(diào)性，但是對于在 16 位時(shí)需要好于 ±15ppm 的準(zhǔn)確度或 ±1LSB INL 的用戶來說，阻性梯形或 R-2R DAC 是最佳選擇。在電壓和電流輸出 R-2R DAC 之間進(jìn)行選擇時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)該意識(shí)到，每一種架構(gòu)對電源、基準(zhǔn)和輸出放大器都施加了不同的要求。選擇一個(gè)非緩沖型 DAC 并將該 DAC 與一個(gè)仔細(xì)選擇的放大器結(jié)合，可以最大限度地提高設(shè)計(jì)靈活性，并為給定應(yīng)用提供最佳解決方案。