基于高分辨率乘法DAC的交流信號處理簡介

簡介
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，因為它可以將高分辨率數(shù)字設(shè)置增益應(yīng)用施加到可變帶寬模擬信號上。本文將討論電阻梯乘法DAC及其對交流信號處理應(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，ADI公司就一直是乘法DAC設(shè)計與生產(chǎn)的領(lǐng)先者。它們采用一個具有適當(dāng)帶寬的放大器，利用一個切換式R-2R梯和一個片內(nèi)反饋電阻實現(xiàn)了調(diào)整交流增益或可變直流基準(zhǔn)電壓輸入信號增益的簡單方法，從而用DAC取代了典型反相運(yùn)算放大器級的輸入和反饋電阻（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)字存儲功能、串行通信選項，尺寸和成本大大降低并且每個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) RFB轉(zhuǎn)換成輸出電壓。放大器以低阻抗提供此輸出?；鶞?zhǔn)電壓輸入具有恒定的對地電阻R。圖 2 顯示了該工作原理。圖 2a中，源電流VREF/R轉(zhuǎn)換成輸出電壓。放大器以低阻抗提供此輸出?；鶞?zhǔn)電壓輸入具有恒定的對地電阻R。圖 2 顯示了該工作原理。圖 2a中，源電流IOUT1或?qū)б恋兀ㄒ话惴QIOUT2）。同理，剩余電流的一半由開關(guān)S2 導(dǎo)引……如此類推。如果開關(guān)由一個數(shù)字字D（S1 是MSB）激活，則流經(jīng)RFB （=R）的IOUT1端電流之和為 D × 2–n × VREF/R。此配置的重要優(yōu)勢包括：可最大程度地降低瞬態(tài)，因為開關(guān)在地和虛地之間切換；RFB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
對于輸出電壓必須大于VIN的應(yīng)用，可通過在DAC級后面增加外部放大器來提高增益；或者只需通過衰減反饋電壓在單級中實現(xiàn)，如圖 3 所示。所示近似值對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，可以使用一個外部反相運(yùn)算放大器電路來另外反轉(zhuǎn)輸入或輸出。 一些乘法DAC內(nèi)置非專用匹配電阻（具有跟蹤溫度系數(shù)），因此只需額外連接一個運(yùn)算放大器（圖 4 中的 A2）即可獲得正輸出，這個額外的運(yùn)算放大器可以是一個雙通道器件內(nèi)的配套運(yùn)算放大器。

如果要求差分輸出，則需要兩個額外的運(yùn)算放大器。Circuits 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)置此處所示的非專用電阻

圖 5. 單端-差分[!--empirenews.page--]

穩(wěn)定性問題
圖 2 和圖 3 中顯示的一個重要元件是補(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，會在開環(huán)響應(yīng)中產(chǎn)生極點——這會在環(huán)路閉合時引起振鈴或不穩(wěn)定。為了補(bǔ)償這一點，通常與DAC的內(nèi)部RFB并聯(lián)連接一個外部反饋電容C1。如果C1值過小，會在輸出端產(chǎn)生過沖或振鈴，而值過大則會過分降低系統(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)以下等式可計算出其最佳近似值：

其中GBW是運(yùn)算放大器的最小信號單位增益帶寬乘積，CO是 DAC的輸出電容。

信號調(diào)理的關(guān)鍵 M-DAC規(guī)格
乘法帶寬：增益為–3 dB時的基準(zhǔn)電壓輸入頻率。對于給定器件，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)不會引起明顯的動態(tài)誤差。

圖 6. 乘法帶寬

模擬總諧波失真（THD）：乘法波形信號中諧波成分的數(shù)學(xué)表達(dá)。它近似等于DAC輸出的前四個諧波（V2, V3, V4,和V5）之均方根和與基波值V1（如圖7所示）的對數(shù)比，計算公式如下：

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，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，對于較低的位，容性饋通影響增益的頻率更高。這一點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時的實際增益為–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，并實現(xiàn)電流電壓轉(zhuǎn)換。要實現(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)格參見器件數(shù)據(jù)手冊。

對于基準(zhǔn)電壓輸入為較高速信號的應(yīng)用，需要一個帶寬較寬、壓擺率較高的運(yùn)算放大器，以免削弱信號。一個運(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，以限制高頻大信號的失真。對于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。

表 1. 適用的 ADI 公司高速運(yùn)算放大器

結(jié)論
自首款CMOS M-DAC問世以來的近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)