【導(dǎo)讀】所有數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)都提供與數(shù)字設(shè)置增益和所施加基準(zhǔn) 電壓之積成比例的輸出。乘法DAC與固定基準(zhǔn)電壓DAC不 同,因?yàn)樗梢詫⒏叻直媛蕯?shù)字設(shè)置增益應(yīng)用施加到可變帶寬 模擬信號(hào)上。本文將討論電阻梯乘法DAC及其對(duì)交流信號(hào)處 理應(yīng)用的適用性。
基本原理
從1974, 年ADI公司推出世界首款(10 位)CMOS IC乘法DAC 以來(lái),ADI公司就一直是乘法DAC設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的領(lǐng)先者。它們 采用一個(gè)具有適當(dāng)帶寬的放大器,利用一個(gè)切換式R-2R梯和 一個(gè)片內(nèi)反饋電阻實(shí)現(xiàn)了調(diào)整交流增益或可變直流基準(zhǔn)電壓 輸入信號(hào)增益的簡(jiǎn)單方法,從而用DAC取代了典型反相運(yùn)算 放大器級(jí)的輸入和反饋電阻(圖 1)。數(shù)字調(diào)整電阻梯和片內(nèi) 反饋電阻一起,提供與數(shù)字輸入成比例的增益(D/2n)使RDAC 起 到了可變輸入電阻的作用。
圖 1. 反相增益配置
乘法DAC的市場(chǎng)發(fā)展迅速,歷經(jīng)數(shù)代更新,產(chǎn)品的分辨率、 精度和速度有了大幅提升,增加了各種數(shù)字存儲(chǔ)功能、串行通 信選項(xiàng),尺寸和成本大大降低并且每個(gè)芯片上還可以配置額外的DAC。最新一代的乘法DAC提供理想的構(gòu)建模塊,用于控 制可變直流或快速交流電壓信號(hào)的增益。
電阻(R-2R)梯用于
運(yùn)算放大器反饋電路,提供數(shù)字控制電流, 電流經(jīng) R
FB轉(zhuǎn)換成輸出電壓。放大器以低阻抗提供此輸出?;?準(zhǔn)電壓輸入具有恒定的對(duì)地電阻R。圖 2 顯示了該工作原理。 圖 2a中,源電流V
REF/R, 轉(zhuǎn)換成輸出電壓。放大器以低阻抗提供此輸出。基 準(zhǔn)電壓輸入具有恒定的對(duì)地電阻R。圖 2 顯示了該工作原理。 圖 2a中,源電流 I
OUT1, 或?qū)б恋兀ㄒ话惴Q(chēng) I
OUT2).同理,剩余電流的一半由開(kāi)關(guān)S2 導(dǎo)引……如此類(lèi)推。如果開(kāi)關(guān)由一個(gè) 數(shù)字字D(S1 是MSB)激活,則流經(jīng)
RFB (=R)的I
OUT1端電流之 和為 D × 2
–n × V
REF/R. 此配置的重要優(yōu)勢(shì)包括:可最大程度地 降低瞬態(tài),因?yàn)殚_(kāi)關(guān)在地和虛地之間切換;R
FB 與梯形電阻片內(nèi)匹配,具備出色的溫度跟蹤性能。
圖 2. a) R-2R梯原理;b) 乘法DAC, VOUT = 0 to −VREF.
數(shù)字字D給出的數(shù)值范圍取決于所用的器件。ADI公司的部 分AD545x/AD554x系列乘法DAC的D值范圍(第一象限)如下:
提高增益
對(duì)于輸出電壓必須大于VIN的應(yīng)用,可通過(guò)在DAC級(jí)后面增加外部放大器來(lái)提高增益;或者只需通過(guò)衰減反饋電壓在單級(jí)中實(shí)現(xiàn),如圖 3 所示。所示近似值對(duì)R2||R3<<RFB. R2 和R3應(yīng)具有相似的溫度系數(shù),但如果R2||R3 與RFB相比較小,則其無(wú)需與DAC的溫度系數(shù)相匹配。
圖 3. 提高乘法 DAC 的增益
正輸出
要產(chǎn)生正電壓輸出,可以使用一個(gè)外部反相運(yùn)算放大器電路來(lái) 另外反轉(zhuǎn)輸入或輸出。 一些乘法DAC內(nèi)置非專(zhuān)用匹配電阻(具 有跟蹤溫度系數(shù)),因此只需額外連接一個(gè)運(yùn)算放大器(圖 4 中的 A2)即可獲得正輸出,這個(gè)額外的運(yùn)算放大器可以是一 個(gè)雙通道器件內(nèi)的配套運(yùn)算放大器。
如果要求差分輸出,則需要兩個(gè)額外的運(yùn)算放大器。請(qǐng)?jiān)L問(wèn) www.analog.com/CN-0143Circuits from the Lab® CN-0143查看完整的詳細(xì)信息。
圖 4. 乘法DAC, VOUT = 0 to VREF. AD5415、AD5405、AD5546/AD5556、AD5547/AD5557 內(nèi)置此處所示的非專(zhuān)用電阻
圖 5. 單端-差分
穩(wěn)定性問(wèn)題
圖 2 和圖 3 中顯示的一個(gè)重要元件是補(bǔ)償電容 (C1). 電阻梯的輸出電容加上放大器的輸入電容及任何雜散電容,會(huì)在開(kāi)環(huán)響應(yīng)中產(chǎn)生極點(diǎn)——這會(huì)在環(huán)路閉合時(shí)引起振鈴或不穩(wěn)定。為了補(bǔ)償這一點(diǎn),通常與DAC的內(nèi)部RFB并聯(lián)連接一個(gè)外部反饋電容 C1。如果C1值過(guò)小, 會(huì)在輸出端產(chǎn)生過(guò)沖或振鈴,而值過(guò)大 則會(huì)過(guò)分降低系統(tǒng)帶寬。DAC的內(nèi)部輸出電容隨碼而變化,因此C1很難確定精確值。根據(jù)以下等式可計(jì)算出其最佳近似 值:
其中GBW是運(yùn)算放大器的最小信號(hào)單位增益帶寬乘積,CO 是 DAC的輸出電容。
信號(hào)調(diào)理的關(guān)鍵 M-DAC規(guī)格
乘法帶寬:增益為–3 dB時(shí)的基準(zhǔn)電壓輸入頻率。對(duì)于給定器件,它與幅度和選擇的補(bǔ)償電容呈函數(shù)關(guān)系。圖 6 所示為可以使最高12 MHz的信號(hào)相乘的電流輸出DAC AD5544、AD5554或AD545x的乘法帶寬坐標(biāo)圖。配套的低功耗運(yùn)算放大器 AD8038具備350 MHz帶寬, 可確保該運(yùn)算放大器在此范圍內(nèi)不會(huì)引起明顯的動(dòng)態(tài)誤差。
圖 6. 乘法帶寬
模擬總諧波失真(THD):乘法波形信號(hào)中諧波成分的數(shù)學(xué)表達(dá)。 它近似等于DAC輸出的前四個(gè)諧波 (V2, V3, V4, 和 V5)之均方根 和與基波值V1(如圖7所示)的對(duì)數(shù)比,計(jì)算公式如下:
圖 7. 諧波失真分量
乘法饋通誤差:DAC的數(shù)字輸入全部為0時(shí),由基準(zhǔn)電壓輸入至DAC輸出的容性饋通所致的誤差。理想情況下,一直到最低有效位DB0,每下降一位,增益便降低6 dB(圖 8)。 不過(guò),對(duì)于較低的位,容性饋通影響增益的頻率更高。這一點(diǎn) 從較低位尾部上翹的平坦曲線可以看出。例如,14位DAC的DB2處,所有頻率的理想增益應(yīng)為–72 dB,但由于饋通效應(yīng),1MHz時(shí)的實(shí)際增益為–66 dB。
圖 8. 乘法饋通誤差
選擇正確的運(yùn)算放大器
乘法DAC電路性能非常依賴(lài)于所選運(yùn)算放大器的能力,從而 在電阻梯輸出端保持零電壓,并實(shí)現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換。要實(shí)現(xiàn)最 佳的直流精度,重要的是要選擇具有低失調(diào)電壓和偏置電流的運(yùn)算放大器,以保持誤差與DAC的分辨率相當(dāng)。詳細(xì)的運(yùn)算 放大器技術(shù)規(guī)格參見(jiàn)器件數(shù)據(jù)手冊(cè)。
對(duì)于基準(zhǔn)電壓輸入為較高速信號(hào)的應(yīng)用,需要一個(gè)帶寬較寬、 壓擺率較高的運(yùn)算放大器,以免削弱信號(hào)。一個(gè)運(yùn)算放大器電路的增益-帶寬受反饋網(wǎng)絡(luò)的阻抗水平和增益配置限制。要確定所需的GBW,一種可行的方式是選擇–3 dB帶寬(10 倍于基準(zhǔn)信號(hào)頻率)的運(yùn)算放大器。
必須考慮運(yùn)算放大器的壓擺率規(guī)格,以限制高頻大信號(hào)的失真。對(duì)于AD54xx和AD55xx系列,壓擺率為100 V/µs的運(yùn)算放大器一般就夠了。
表 1 列出了可供乘法應(yīng)用選擇的運(yùn)算放大器。
查找適合的 DAC
欲了解可以查看M-DAC的數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品選型表,請(qǐng)?jiān)L問(wèn) www.analog.com/en/digital-to-analog-converters/da-converters/products/index.html.
結(jié)論
自首款CMOS M-DAC問(wèn)世以來(lái)的近40年間,相關(guān)器件不斷更新?lián)Q代,許多新的功能特性層出不窮,性能持續(xù)提升,成本和尺寸則大幅縮減。我們的高分辨率、14位/16位電流輸出DAC產(chǎn)品系列AD55xx的最新性能改進(jìn)包括:
● 積分非線性(INL)性能提高,±1 LSB
● 模擬THD和乘法饋通降低——乘法帶寬增加
● 數(shù)字信號(hào)THD降低;可變基準(zhǔn)電壓(直流)應(yīng)用的中間電平突波和數(shù)字饋通降低。
進(jìn)一步閱讀
1. Kester, Walt, The Data Conversion Handbook (2005) Newnes (Elsevier).
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