作者：Padraic O'Reilly和Charly El-Khoury

在许多控制系统的核心部分,数模转换器(DAC)在系统的性能和精度方面起着关键作用.本文将考察一款新型精密16位DAC,同时针对性能可与变压器媲美的高速互补电流输出DAC的输出缓冲谈一些想法.

电压开关式16位DAC提供低噪声、快速建立时间和更出色的线性度
作者：Padraic O’Reilly

基于突破性10位CMOSAD7520——推出已近40年——的电阻梯乘法DAC最初用于反相运算放大器,而放大器的求和点 (I_OUTA) 则提供了方便的虚拟地（图1）.

图1. CMOS乘法DAC架构

然而,在某些限制条件下,它们也可用于提供同相电压输出的电压开关配置 其中,运算放大器用作电压缓冲器（图2）.此处,基准电压V_IN施加于_OUT,输出电压V_OUT,则由V_REF提供.后来不久即出现了针对这种用途而优化的12位版本.

图2. 电压开关模式下的乘法DAC

快速推进到现在: 随着单电源系统的不断普及,设计师面对一个挑战,即在维持高电压下的性能水平的同时控制功耗.对能用于这种模式的更高分辨率（最高16位）的器件的需求也日益增加.

在电压开关模式下使用乘法DAC的显著优势是不会发生信号反相,因此,正基准电压会导致正输出电压.但当用于该模式时,R-2R梯形架构也存在一个缺陷.相对于同一DAC用于电流导引模式的情况,与R-2R梯形电阻串联的N沟道开关的非线性电阻将导致积分线性度(INL)下降.

为了克服乘法DAC的不足并同时保持电压开关的优势,人们开发出了新型的高分辨率DAC,比如AD5541A,（如图3所示）.AD5541A采用一个部分分段的R-2R梯形网络和互补开关,在16位分辨率下可实现±1-LSB精度,在−40°C至+125°C的整个额定温度范围内均无需调整,其噪声值为11.8 nV/√Hz,建立时间为1µs.

图3. AD5541A架构

性能特点
建立时间: 图4和图5比较了乘法DAC在电压模式下的建立时间以及AD5541A的建立时间.当输出上的容性负载最小时,AD5541A的建立时间约为1µs.

图4. 乘法DAC的建立时间

图5. AD5541A的建立时间

噪声频谱密度: 表1比较了AD5541A和乘法DAC的噪声频谱密度.AD5541A在10kHz下的性能略占优势,在1 kHz下优势非常明显.

积分非线性: 积分非线性(INL)衡量DAC的理想输出与排除增益和失调误差之后的实际输出之间的最大偏差.与R-2R网络串联的开关可能会影响INL.乘法DAC一般采用NMOS开关.当用于电压开关模式时,NMOS开关的源极连接至基准电压,漏极连接至梯形电阻,栅极由内部逻辑驱动（图6）.

图6. 乘法DAC开关

要使电流在NMOS器件中流动, V_GS必须大于阈值电压, V_T.在电压开关模式下, V_GS= V_LOGIC– V_IN必须大于V_T= 0.7 V.

乘法DAC的R-2R梯形电阻设计用于将电流平均分配至各个引脚.这就要求总接地电阻（从各引脚顶部看）完全相同.这可以通过调节开关来实现,其中,各个开关的大小与其导通电阻成比例.如果一个引脚的电阻发生变化,则流过该引脚的电流将发生变化,结果导致线性度误差.V_IN不能大到会使开关关闭的程度,但必须足以使开关电阻保持低位,因为V_IN的变化会影响V_GS从而导致导通电阻发生非线性变化,如下所示：

导通电阻的这种变化会使电流失衡,并使线性度下降.因此,乘法DAC上的电源电压不能减少太多.相反,基准电压超过AGND的值不得高于1V,以维持线性度.对于5V电源,当从1.25V基准电压变化至2.5V基准电压时,线性度将开始下降,如图7和图8所示.当电源电压降至3V时,线性度将完全崩溃,如图9所示.

图7. INL of I_OUT乘法DAC在反相模式下的INL,( V_DD= 5 V, V_REF= 1.25 V)

图8. INL of I_OUT乘法DAC在反相模式下的INL(V_DD= 5 V, V_REF= 2.5 V)

图9. 乘法DAC在反相模式下的INL( V_DD= 3 V, V_REF= 2.5 V)

为了减少这种影响,AD5541A采用互补NMOS/PMOS开关,如图10所示.现在,开关的总导通电阻来自NMOS和PMOS开关的共同贡献.如前所示,NMOS开关的栅极电压由内部逻辑控制.内部产生的电压,V_GN,设置理想栅极电压,以使NMOS的导通电阻与PMOS的相平衡.开关的大小通过代码调节,以使导通电阻随代码调节.因此,电流将上下调节,精度将得以维持.由于基准输入的阻抗随代码变化,因此,应通过低阻抗源驱动.

图10. 互补NMOS/PMOS开关

图11和图12所示为AD5541A在5 V和2.5 V基准电压下的INL性能.

图11. AD5541A的INL( V_DD= 5.5 V, V_REF= 5 V)

图12. AD5541A的INL( V_DD= 5.5 V, V_REF= 2.5 V)

如图13和图14所示,线性度在较宽的基准电压和电源电压下变化极小.DNL行为与INL类似.AD5541A线性度的额定范围以温度和电源电压为基础；基准电压可能从2.5V变化至电源电压.

图13. AD5541A INL与电源电压

图14. AD5541A INL与基准电压

AD5541A的更多详情
AD5541A串行输入、单电源、电压输出nanoDAC+数模转换器提供16位分辨率和±0.5LSB典型积分/微分非线性特性.特别适合将乘法DAC用于电压开关模式的应用.在额定温度范围和电源电压范围内均有优异表现,可实现出色的线性度,并可用于需要精密直流性能和快速建立时间的3V至5V系统.采用2V至电源电压范围内的外部基准电压时,无缓冲电压输出可以将60kΩ负载从0V驱动至VREF.该器件可以在1µs内建立至½ LSB,噪声为11.8nV/√Hz,并具有低毛刺特性,非常适合部署在各种医疗、航空航天、通信和工业应用中.其3线式低功耗SPI串行接口能够以高达50 MHz时钟速率工作.AD5541A采用2.7V至5.5V单电源供电,功耗仅125µA.它提供8引脚和10引脚LFCSP及10引脚MSOP封装,额定温度范围为–40°C至+125°C,千片订量报价为6.25美元/片.

高速电流输出DAC缓冲器
作者：Charly El-Khoury

变压器通常被认为是将高速电流输出DAC的互补输出转换为单端电压输出的最佳选择,因为变压器不会增加噪声,也不会消耗功率.尽管变压器在高频信号下表现良好,但它们无法处理许多仪表和医疗应用所需要的低频信号.这些应用要求一个低功耗、低失真、低噪声的高速放大器,以将互补电流转换成单端电压.此处展示的三个电路接受来自DAC的互补输出电流,并提供单端输出电压.将后两者的失真与变压器解决方案进行比较.

差分放大器: AD8129和AD8130差分转单端放大器（图15）用于第一个电路（图16）.它们在高频下具有极高的共模抑制性能.AD8129在增益为10或以上时保持稳定,而AD8130则在单位增益下保持稳定.它们的用户可调增益可以由, R_F和 R_G.两个电阻的比值来设置.AD8129和AD8130在引脚1和引脚8上具有很高的输入阻抗,不受增益设置的影响.基准电压 (V_REF, 引脚4)可以用来设置偏置电压,该偏置电压被乘以与差分输入电压相同的增益.

图15. AD8129/AD8130差动放大器

图16. 采用AD8129/AD8130的DAC缓冲器

方程1和方程2所示为放大器的输出电压与DAC的互补输出电流之间的关系.端接电阻R_T,执行电流-电压转换；R_F与R_G之比决定了增益.V_REF在方程2中被设为0.

(1)

(2)

在图16中,该电路采用一个四通道高速、低功耗、14位DAC,其中,互补电流输出级将提高速度,降低低功耗DAC的失真.

图17展示的是电路的无杂散动态范围(SFDR),它是频率的函数,采用DAC和AD8129,其中,R_F= 2kΩ,R_G= 221Ω,R_T= 100Ω, 且V_O= 8Vp-p, 两个电源电压对应的不同值.此处选择了AD8129,因为它提供较大的输出信号,在G = 10时保持稳定,与AD8130相比,具有较高的增益带宽积.两种情况下,SFDR一般都要好于55dB,超过10MHz,在低电源电压下,约有>3dB的改善.

图17. DAC和AD8129的失真 V_O= 8 V p-p

单位增益下的运算放大器: 第二个电路（图18）采用了一个高速放大器与两个 R_T电阻.该放大器只是通过,R_T将互补电流I₁和 I₂, 转换成单端输出电压,V_O这个简单的电路不允许以放大器为增益模块放大信号.

图18. 采用运算放大器的简单差分到单端转换器

方程3所示为V_O与DAC输出电流之间的关系.失真数据通过与R_T并联的5pF电容进行测量

(3)

为了展示这个电路的性能,DAC与ADA4857 和 ADA4817 运算放大器配对,其中_T= 125Ω (and C_T= C_F= 5 pF与R_T并联,以实现稳定性和低通滤波）.单通道ADA4857-1和双通道ADA4857-2为单位增益稳定型、高速、电压反馈放大器,具有低失真、低噪声和高压摆率等特点.作为众多应用（包括超声、ATE、有源滤波器、ADC驱动器等）的理想解决方案,其带宽为850 MHz,压摆率为2800 V/μs,0.1%建立时间为10ns——全部都是在5mA的静态工作电流下实现.ADA4857-1和ADA4857-2具有宽工作电压范围（5V至10V）,特别适合需要宽动态范围、精密、高速度和低功耗的系统

ADA4817-1（单通道）和ADA4817-2（双通道）FastFET放大器是具有FET输入的单位增益稳定、超高速电压反馈型运算放大器.它们采用ADI公司的专有超快速互补双极性(XFCB)工艺制造,具有超低的噪声（4nV/√Hz和2.5fA/√Hz）和极高的输入阻抗.其输入电容为1.3pF,最大失调电压为2mV,功耗低(19mA),−3dB带宽较宽(1050MHz),非常适合数据采集前端、光电二极管前置放大器以及其他宽带跨阻应用.它们具有5V至10V的宽电源电压范围,可采用单电源或双电源供电,适合包括有源滤波、ADC驱动和DAC缓冲在内的各种应用.

图19比较了该电路在V_O= 500mV p-p 时相对于一个采用变压器的电路的失真和频率之间的关系.变压器的失真低于放大器,后者的增益在高频下不断下降,但采用变压器的失真却在低频下不断变差.在此,可在有限范围内实现接近90dB的SFDR,在高达10MHz时优于70dB.

图19. DAC、ADA4857和ADA4817的失真 V_O= 500 mV p-p, R_L= 1 kΩ

具有增益运算放大器: 第三个电路（图20）也使用了相同的高速运算放大器,但所含电阻网络拉远了放大器与DAC之间的距离,支持增益设置,并可以利用V_REF1和 V_REF2两个基准电压之一调整输出偏置电压.

图20. 支持增益和偏置功能的差分到单端转换

方程4定义了DAC输出电流与放大器输出电压在 V_REF1= V_REF1= 0. 时的关系.为了匹配DAC之外的放大器网络的输入阻抗R_T1和R_T2, 两个端接电阻必须单独设置,同时要考虑放大器的特性.

(4)

图21比较了放大器在这种配置下的失真以及变压器电路的失真.R_T1= 143Ω,R_T2= 200 Ω,R_F=R_G= 499Ω,C_F= 5pF出于稳定性和高频滤波考虑——且R_L= 1kΩ. 在此ADA4817的性能可与变压器在高频下的性能相媲美,在最高70MHz时,其SFDR可维持在优于-70dBc的水平.与变压器相比,两个运算放大器都能维持出色的低频保真.

图21. DAC、ADA4817和ADA4857的失真 V_O= 500 mV p-p

本文讨论了将低失真、低噪声、高速放大器用作DAC缓冲器的一些优势,并将其性能与变压器进行了比较.同时比较了采用两种不同架构的三类应用电路,并以实例展示了DAC和AD8129、ADA4857-1/ADA4857-2以及ADA4817-1/ADA4817-2放大器的测量数据.数据显示,放大器在频率低于1MHz时的性能优于变压器,在频率不超过80 MHz时,非常接近变压器.在权衡考虑功耗和失真时,放大器的选择非常重要.

作者简介

Padraic O’Reilly[padraic.oreilly@analog.com]是精密数模转换器部门的应用工程师.他于2007年毕业于利默里克大学,获电子工程学士学位,之后加入ADI公司.

Charly El-Khoury[charly.el-khoury@analog.com] 高速放大器部门的应用工程师.他于2006年毕业于伍斯特理工学院(WPI),获得电气与计算机工程(ECE)硕士学位,之后加入ADI公司.

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