減少高精度DAC中的加電/斷電毛刺脈沖

電壓毛刺脈沖在信號(hào)鏈路徑中很常見(jiàn)，特別在系統(tǒng)加電或斷電時(shí)更是如此。根據(jù)峰值幅度和毛刺脈沖持續(xù)時(shí)間的不同，系統(tǒng)輸出中的最終結(jié)果會(huì)是災(zāi)難性的。其中的一個(gè)示例就是工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。如果毛刺脈沖幅度高于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的靈敏度閾值，當(dāng)系統(tǒng)加電/斷電時(shí)，電機(jī)會(huì)在沒(méi)有任何方向控制的情況下旋轉(zhuǎn)。

圖1.經(jīng)簡(jiǎn)化的輸出級(jí)和加電毛刺脈沖

之前已經(jīng)分析了高精度DAC經(jīng)緩沖輸出出現(xiàn)加電/斷電毛刺脈沖的原因和減少這些毛刺脈沖的解決方案。這份簡(jiǎn)報(bào)主要介紹了DAC輸出緩沖器在加電至電壓輸出模式時(shí)出現(xiàn)的加電毛刺脈沖。一個(gè)高精度DAC可以在多個(gè)配置中加電：零量程、中量程，或是高阻抗。用戶可以控制預(yù)斷電狀態(tài)。某些DAC具有內(nèi)置的加電毛刺脈沖減少 (POGR) 電路;這個(gè)電路在DAC輸出級(jí)未被驅(qū)動(dòng)的配置中保持DAC的輸出級(jí)。經(jīng)緩沖電壓輸出DAC具有一對(duì)作為輸出級(jí)的PFET和NFET。POGR電路禁用PFET，并將NFET偏置到其閾值電壓 (VTH) 以上，從而最大限度地將加電毛刺脈沖減少到幾百毫伏。

并不是每個(gè)DAC中都有POGR電路。對(duì)于沒(méi)有POGR的DAC來(lái)說(shuō)，加電/斷電毛刺脈沖取決于多個(gè)因素：

1. DAC到電壓輸出模式和高阻抗模式的加電狀態(tài)

2. DVDD、VREF、IOVDD和其它電源引腳的加電順序

3. 反饋網(wǎng)絡(luò)連接

4. 電源斜升速率

5. 輸出阻性負(fù)載

這篇文章所討論的是輸出級(jí)被加電至電壓輸出模式的情況。在這個(gè)模式下，PFET和NFET的柵極由一個(gè)預(yù)輸出級(jí)控制。這個(gè)預(yù)輸出級(jí)需要一個(gè)特定的最小電壓來(lái)正常啟動(dòng)。這個(gè)電壓也被稱為最小凈空 (VH)。這個(gè)電壓取決于預(yù)輸出級(jí)架構(gòu)，并且可高至6V。這個(gè)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于數(shù)據(jù)表中所規(guī)定的最小電源電壓 (VDDMIN)。通常情況下，大多數(shù)數(shù)據(jù)表中并未指定此電壓。

在達(dá)到這個(gè)最小凈空電壓前，預(yù)輸出級(jí)沒(méi)有足夠的凈空來(lái)實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。因此，輸出FET柵極可以低至0V，這使得PFET可以在電源電壓與PFET閾值電壓 (VTP) 相交時(shí)，運(yùn)行為電源與輸出引腳之間的低阻性開(kāi)關(guān)。因此，輸出能夠隨著電源斜升，從而導(dǎo)致了加電毛刺脈沖(請(qǐng)見(jiàn)圖1)。

在這個(gè)情況下，毛刺脈沖電壓可以高達(dá)最小凈空電壓 (VH)。由于預(yù)輸出級(jí)的凈空不足，所以這個(gè)毛刺脈沖與電源斜升速率無(wú)關(guān)。所有DAC數(shù)據(jù)表都規(guī)定了一個(gè)輸出上的最小阻性負(fù)載(通常為1kW)。將一個(gè)阻性負(fù)載加載到DAC輸出上是盡可能減小這個(gè)毛刺脈沖的常見(jiàn)技術(shù)。然而，這項(xiàng)技術(shù)并不能最大限度地減少毛刺脈沖幅度，這是因?yàn)檩敵鯬FET運(yùn)行為一個(gè)電源與輸出引腳之間的開(kāi)關(guān)(或短接)。加電序列和反饋網(wǎng)絡(luò)連接會(huì)進(jìn)一步加大這個(gè)毛刺脈沖。由于這些因素通常是相互關(guān)聯(lián)的，它們都作為一種情況進(jìn)行分析。

圖2.具有反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出級(jí)。

對(duì)于具有雙極輸出的雙電源DAC來(lái)說(shuō)，反饋網(wǎng)絡(luò)還包括一個(gè)偏移節(jié)點(diǎn)。這個(gè)節(jié)點(diǎn)可由基準(zhǔn)引腳上的固定電壓 (VREF) 驅(qū)動(dòng)，或者由一個(gè)偏移DAC驅(qū)動(dòng)。偏移DAC在用戶需要小電壓偏移輸出時(shí)有用，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)不對(duì)稱的輸出范圍;例如，從-5V至+10V。

圖2是一個(gè)具有反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出級(jí)的簡(jiǎn)化圖。這個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)需要開(kāi)關(guān)來(lái)改變DAC的增益和偏移。這些開(kāi)關(guān)有一個(gè)單獨(dú)的數(shù)字電源，或DVDD供電。根據(jù)DVDD加電序列的不同，增益/偏移路徑會(huì)為開(kāi)路，或者短接至VREF/AGND引腳。這會(huì)在啟動(dòng)期間導(dǎo)致一個(gè)錯(cuò)誤增益設(shè)置，并且會(huì)形成加電毛刺脈沖。在大多數(shù)多電源DAC中，建議使用一個(gè)特定的加電序列來(lái)避免這一情況的發(fā)生。

加電毛刺脈沖與DAC寄存器的狀態(tài)無(wú)關(guān)。在DAC有一個(gè)被稱為加電復(fù)位 (POR) 的電路供電時(shí)，所有DAC寄存器均保持在復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)一段時(shí)間后，這些寄存器從復(fù)位狀態(tài)中被釋放出來(lái)時(shí)，輸出和預(yù)輸出級(jí)就具有足夠的凈空來(lái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)了。

圖3.簡(jiǎn)單電源檢測(cè)電路。

一個(gè)簡(jiǎn)單電源檢測(cè)電路(圖3)可被用來(lái)在電源斜升期間立即載入DAC輸出。DAC輸出VOUT在電源斜升期間，通過(guò)FET MPD，用電阻器RL載入。這個(gè)電源檢測(cè)塊生成MPD控制。在電源斜升期間，控制信號(hào)CTL被拉至AVDD，在FET MN1被接通前，用負(fù)載RL載入DAC輸出VOUT。在MN1被完全接通后，它將CTL節(jié)點(diǎn)拉至接地，卸載VOUT節(jié)點(diǎn)。必須根據(jù)MN1的閾值電壓來(lái)設(shè)定R1、R2、R3和CL的大小。

這篇文章分析了加電毛刺脈沖和它形成的根本原因。雖然其中的分析主要是用來(lái)解決加電毛刺脈沖，不過(guò)同樣的原理也適用于斷電毛刺脈沖。特定DAC在沒(méi)有內(nèi)部POGR電路的情況下，在正常模式下被加電，在啟動(dòng)期間，輸出引腳與接地之間的一個(gè)小的阻性負(fù)載是盡可能減少這些DAC加電毛刺脈沖的唯一方法。