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消除DAC输出毛刺的方法浅析

DAC基础知识:静态技能标准以及它们对DC的偏移、增益和线性等特性的影响在平衡双电阻 (R-2R) 和电阻串数模改换器 (DAC) 的各种拓扑结构间是根本共同的。但是,R-2R和电阻串DAC的短时毛刺脉冲搅扰方面的体现却有着显著的不同。


我们可以在DAC以作业采样率运转时调查到其动态不是线性。形成动态非线性的原因许多,但是影响最大的是短时毛刺脉冲搅扰、改换率/安稳时刻和采样抖动。


用户可以在DAC以安稳采样率在其输出范围内运转时调查短时毛刺脉冲搅扰。图1显现的是一个16位R-2R DAC,DAC8881上的此类现象。

消除DAC输出毛刺的方法浅析

这个16位DAC (R-2R) 输出显现了7FFFh – 8000h代码改变时的短时毛刺脉冲搅扰的特性。

究竟发生了什么?

在抱负状况下,DAC的输出依照预期的方向从一个电压值移动到下一个电压值。但实际状况中,DAC电路在某些代码到代码改换的过程中具有下冲或过冲特性。


这一特性在每一次代码到代码改换时都不共同。某些改换中发生的下冲或过冲特性会比其它改换愈加显着。而短时毛刺脉冲搅扰技能标准量化的就是这些特性。DAC短时毛刺脉冲搅扰会瞬时输出过错电压来搅扰闭环体系。

图2显现的是具有单突短时毛刺脉冲搅扰的DAC的示例。一个电阻串DAC发生的一般就是这种类型的短时毛刺脉冲搅扰。

消除DAC输出毛刺的方法浅析

图2  单突DAC输出短时毛刺脉冲搅扰特性


在图2中,代码改换的方位是从7FFFh—8000h。如果你将这些数改换为二进制方式,需求留意的是这两个十六进制代码的每个位或许从1改换为0,或许从0改换为1。


短时毛刺脉冲搅扰技能标准量化了这个毛刺脉冲现象所具有的能量,能量单位为纳伏秒,即nV-sec (GI)。这个短时毛刺脉冲搅扰的数量等于曲线下面积的巨细。


单突短时毛刺脉冲搅扰是由DAC内部开关的不同步形成的。那是什么引起了这一DAC现象呢?原因就是内部DAC开关的同步不总是那么准确。因为集成开关电容充电或放电,你能在DAC的输出上看到这些电荷交换。


R-2R DAC发生两个区域的短时毛刺脉冲搅扰过错(图3)。因为呈现了双脉冲差错,从负短时毛刺脉冲搅扰 (G1) 中减去正短时毛刺脉冲搅扰 (G2) 来发生终究的短时毛刺脉冲搅扰技能标准。

具有R-2R内部结构的DAC体现出双突短时毛刺脉冲搅扰

短时毛刺脉冲搅扰是一个非常重要的动态非线性的DAC特性,你将会在器材以作业采样率运转时遇到这个问题。但是,这只是冰山一角。影响高速电路的其它要素还有改换率和安稳时刻。

图3中的代码改换依然是从7FFFh至8000h。


为了了解DAC短时毛刺脉冲搅扰的源头,我们必须首先界说主进位改换。在主进位改换点上,最高有用位 (MSB)从低变高时, 较低的位从高变为低,反之亦然。其间一个此类代码改换示例就是0111b变为1000b,或许是从1000 000b变为0111 1111b的愈加显着的改变。


有些人或许会以为这一现象在DAC的输出体现出巨大的电压改变时呈现。实际上,这并不是每个DAC编码机制都会呈现的状况。

图4和图5显现了这种类型的毛刺脉冲对一个8位DAC的影响。对于DAC用户来说,这一现象在单个最低有用位 (LSB) 步长时呈现,或许在一个5V、8位体系中,在19.5mV步长时呈现。


在这个8位DAC装备中,此内部开关有7个R-2R引脚被接至VREF,有1个R-2R引脚接地。


在这个DAC装备中,此内部开关有1个R-2R引脚被接至VREF,有7个R-2R引脚接地。


在DAC载入代码时,会有两个区域发生输出毛刺脉冲:一同触发多个开关的开关同步和开关电荷转移。


此电阻串DAC具有一个单开关拓扑。一个电阻串DAC抽头连接到巨大电阻串的不同点。开关网络不需求主进位上的多个改换,因而,发生毛刺脉冲的可能进性较低。开关电荷将会发生一个较小的毛刺脉冲,但是与R-2R结构DAC发生的毛刺脉冲相比就显得微不足道了。


代码改换期间,R-2R DAC具有多个一同开关切换。任何同步的缺失都导致短时刻的开关全为高电平或全为低电平,然后使得DAC的电压输出迁移至电压轨。然后这些开关康复,在相反的方向上发生一个单突短时毛刺脉冲搅扰。然后输出安稳。


这些毛刺脉冲的电压方位是彻底可估计的。在运用R-2R DAC时,最糟糕的状况是毛刺脉冲差错呈现在所有数字位切换,一同依然用小电压改变进行改换时。在这种状况下,用主进位改换进行DAC代码改变;从代码1000…改换为0111…


查看实在DAC运转状况


现在,我们现已界说了针对短时毛刺脉冲搅扰差错的备选代码改换,我们可以仔细调查一下16位DAC8881(R-2R DAC) 和16位DAC8562(电阻串DAC)的R-2R和电阻串DAC短时毛刺脉冲搅扰。


在图6中,DAC8881的短时毛刺脉冲搅扰为37.7 nV-sec,而DAC8562的短时毛刺脉冲搅扰为0.1 nV-sec。在这两张图中,x轴的刻度为500ns/p,而y轴的刻度为50mV/p。

R-2R和电阻串短时毛刺脉冲搅扰功能

毛刺脉冲消失了


如果存在DAC短时毛刺脉冲搅扰问题,用户可以运用外部组件来减小毛刺脉冲幅度(图7a),或许彻底消除短时毛刺脉冲搅扰能量(图7b)。

 用一阶低通滤波器

(a) 或采样/坚持解决方案  (b) 来削减短时毛刺脉冲搅扰差错

DAC之后的RC滤波器可削减毛刺脉冲幅度(图7a)。短时毛刺脉冲搅扰周期决定了恰当的RC比。RC滤波器3dB的频率比短时毛刺脉冲搅扰频率提早十倍频。在挑选组件时需求确保电阻器的电阻值较低,不然的它将会与电阻负载一同发生一个压降。因为毛刺脉冲能量从不会丢失,履行单极低通滤波器的代价就是在安稳时刻加长的一同差错被散布在更长的时刻段内。

第二种方法是运用一个采样/坚持电容器和放大器(图7b)。外部开关和放大器消除了DAC内部开关发生的毛刺脉冲,然后取得较小的采样/坚持 (S/H) 开关瞬态。在这个规划中,开关在DAC的整个主进位改换期间坚持翻开状况。一旦改换完成,开关封闭,然后在CH采样电容器上设定新输出电压。当DAC预备晋级其输出时,此电容器在外部开关翻开时持续坚持新电压。这个解决方案本钱较高,也会占有更多的板级空间,但可以在不添加安稳时刻的状况下削减/消除毛刺脉冲。

定论

短时毛刺脉冲搅扰是一个非常重要的动态非线性的DAC特性,你将会在器材以作业采样率运转时遇到这个问题。但是,这只是冰山一角。影响高速电路的其它要素还有改换率和安稳时刻。请随时重视下一篇与这一主题相关的文章。

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