零交越失真放大器改善DAC系統(tǒng)線性度的探討

在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的線性度是衡量其性能的重要指標(biāo)之一。線性度直接關(guān)系到DAC輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性，對(duì)于需要高精度信號(hào)處理的系統(tǒng)尤為重要。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，DAC系統(tǒng)常常會(huì)受到各種非線性因素的影響，其中交越失真是一個(gè)較為突出的問(wèn)題。本文將詳細(xì)探討零交越失真放大器如何改善DAC系統(tǒng)的線性度，并分析其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

一、DAC系統(tǒng)及其面臨的挑戰(zhàn)

1. DAC系統(tǒng)概述

數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)是一種將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電子元件，廣泛應(yīng)用于音頻處理、通信、測(cè)試測(cè)量等領(lǐng)域。為了保持高動(dòng)態(tài)輸出范圍和高信噪比性能，DAC通常被設(shè)計(jì)為可工作在全擺幅狀態(tài)下，其基準(zhǔn)電壓(VREF)常設(shè)為與電源電壓(VDD)相等，以最大程度利用數(shù)字碼。

2. 交越失真的問(wèn)題

在DAC系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)范圍的輸入電壓，常常采用軌到軌輸入放大器。這類放大器通過(guò)集成n型和p型差分對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)從低供電軌到高供電軌的寬輸入電壓范圍。然而，這種設(shè)計(jì)存在一個(gè)固有問(wèn)題——交越失真。當(dāng)輸入共模電壓從低供電軌向高供電軌變化時(shí)，輸入差分對(duì)會(huì)從一個(gè)切換到另一個(gè)，由于兩個(gè)差分對(duì)的失調(diào)電壓不同，這種切換會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)的階躍狀特性，即交越失真。

二、交越失真的影響

交越失真對(duì)DAC系統(tǒng)的線性度產(chǎn)生顯著影響。積分非線性(INL)是衡量DAC線性度的一個(gè)重要參數(shù)，它表示實(shí)際轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)與理想傳遞函數(shù)的偏差。在存在交越失真的情況下，DAC的INL性能會(huì)明顯下降，進(jìn)而影響系統(tǒng)的精度。例如，在16位DAC系統(tǒng)中，交越非線性可能高達(dá)4至5 LSB，這對(duì)于高精度應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不可接受的。

三、零交越失真放大器的解決方案

為了解決DAC系統(tǒng)中的交越失真問(wèn)題，零交越失真放大器應(yīng)運(yùn)而生。這類放大器通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)，消除了傳統(tǒng)軌到軌輸入放大器中的交越失真現(xiàn)象，從而顯著改善了DAC系統(tǒng)的線性度。

1. 技術(shù)原理

零交越失真放大器通常采用片內(nèi)集成電荷泵輸入增強(qiáng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)軌到軌輸入擺幅。電荷泵能夠提升內(nèi)部電源的數(shù)V電壓，為輸入級(jí)提供所需的裕量，從而無(wú)需使用互補(bǔ)差分對(duì)即可實(shí)現(xiàn)軌到軌輸入。這種設(shè)計(jì)消除了由差分對(duì)切換引起的失調(diào)電壓階躍，從而避免了交越失真的發(fā)生。

2. 性能優(yōu)勢(shì)

改善線性度：零交越失真放大器能夠顯著降低DAC系統(tǒng)的INL誤差，使其低于+/-1 LSB，顯著提高系統(tǒng)的線性度和精度。

寬輸入范圍：與傳統(tǒng)軌到軌輸入放大器一樣，零交越失真放大器也支持從低供電軌到高供電軌的寬輸入電壓范圍，滿足各種應(yīng)用需求。

穩(wěn)定性能：由于消除了交越失真，零交越失真放大器的失調(diào)電壓在整個(gè)輸入共模電壓范圍內(nèi)都保持穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3. 應(yīng)用實(shí)例

以ADI公司的ADA4500-2為例，這是一款典型的零交越失真放大器。當(dāng)將其用作DAC輸出緩沖器時(shí)，可以顯著改善DAC系統(tǒng)的線性度。圖5顯示了使用同一款16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器搭配ADA4500-2時(shí)的電路INL性能，可以看出，零交越失真特性使INL性能得到了顯著提升，低于+/-1 LSB。

四、其他解決方案與比較

除了使用零交越失真放大器外，還有其他幾種方法可以避免或減輕DAC系統(tǒng)中的交越失真問(wèn)題：

降低基準(zhǔn)電壓：采用低于電源電壓的基準(zhǔn)電壓作為轉(zhuǎn)換器電源，可以確保交越區(qū)域不在輸入數(shù)字碼的范圍內(nèi)，但這種方法會(huì)犧牲輸出范圍。

提高電源電壓：如果系統(tǒng)有多個(gè)電源，可以為放大器提供較高的電源電壓，從而允許使用非軌到軌輸入放大器，但這種方法會(huì)降低電源效率。

校準(zhǔn)技術(shù)：很多系統(tǒng)都會(huì)執(zhí)行校準(zhǔn)以消除初始失調(diào)電壓，但無(wú)法通過(guò)校準(zhǔn)消除交越失真引起的非線性。

相比之下，零交越失真放大器在解決交越失真問(wèn)題方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，既不需要犧牲輸出范圍，也不需要增加額外的功耗或復(fù)雜度。

五、結(jié)論

零交越失真放大器通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)有效解決了DAC系統(tǒng)中的交越失真問(wèn)題，顯著改善了系統(tǒng)的線性度和精度。在需要高精度信號(hào)處理的場(chǎng)合，如音頻處理、通信、測(cè)試測(cè)量等領(lǐng)域，零交越失真放大器將成為不可或缺的重要元件。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷拓展，相信零交越失真放大器將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)電子系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。