令人困擾的DAC輸出短時毛刺脈沖干擾

　　在DAC基礎知識：靜態(tài)技術規(guī)格中，我們探討了靜態(tài)技術規(guī)格以及它們對DC的偏移、增益和線性等特性的影響。這些特性在平衡雙電阻 （R-2R） 和電阻串數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 的各種拓撲結(jié)構(gòu)間是基本一致的。然而，R-2R和電阻串DAC的短時毛刺脈沖干擾方面的表現(xiàn)卻有著顯著的不同。

　　我們可以在DAC以工作采樣率運行時觀察到其動態(tài)不是線性。造成動態(tài)非線性的原因很多，但是影響最大的是短時毛刺脈沖干擾、轉(zhuǎn)換率/穩(wěn)定時間和采樣抖動。

　　用戶可以在DAC以穩(wěn)定采樣率在其輸出范圍內(nèi)運行時觀察短時毛刺脈沖干擾。圖1顯示的是一個16位R-2R DAC，DAC8881上的此類現(xiàn)象。

圖1

　　這個16位DAC （R-2R） 輸出顯示了7FFFh – 8000h代碼變化時的短時毛刺脈沖干擾的特性。

　　到底發(fā)生了什么？

　　在理想情況下，DAC的輸出按照預期的方向從一個電壓值移動到下一個電壓值。但實際情況中，DAC電路在某些代碼到代碼轉(zhuǎn)換的過程中具有下沖或過沖特性。

　　這一特性在每一次代碼到代碼轉(zhuǎn)換時都不一致。某些轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的下沖或過沖特性會比其它轉(zhuǎn)換更加明顯。而短時毛刺脈沖干擾技術規(guī)格量化的就是這些特性。DAC短時毛刺脈沖干擾會瞬時輸出錯誤電壓來干擾閉環(huán)系統(tǒng)。

　　圖2顯示的是具有單突短時毛刺脈沖干擾的DAC的示例。一個電阻串DAC產(chǎn)生的通常就是這種類型的短時毛刺脈沖干擾。

　　圖2

　　單突DAC輸出短時毛刺脈沖干擾特性。

　　在圖2中，代碼轉(zhuǎn)換的位置是從7FFFh到8000h。如果你將這些數(shù)變換為二進制形式，需要注意的是這兩個十六進制代碼的每個位或者從1變換為0，或者從0變換為1。

　　短時毛刺脈沖干擾技術規(guī)格量化了這個毛刺脈沖現(xiàn)象所具有的能量，能量單位為納伏秒，即nV-sec （GI）。這個短時毛刺脈沖干擾的數(shù)量等于曲線下面積的大小。

　　單突短時毛刺脈沖干擾是由DAC內(nèi)部開關的不同步造成的。那是什么引起了這一DAC現(xiàn)象呢？原因就是內(nèi)部DAC開關的同步不總是那么精確。由于集成開關電容充電或放電，你能在DAC的輸出上看到這些電荷交換。

　　R-2R DAC產(chǎn)生兩個區(qū)域的短時毛刺脈沖干擾錯誤（圖3）。由于出現(xiàn)了雙脈沖誤差，從負短時毛刺脈沖干擾 （G1） 中減去正短時毛刺脈沖干擾 （G2） 來產(chǎn)生最終的短時毛刺脈沖干擾技術規(guī)格。

　　圖3

　　具有R-2R內(nèi)部結(jié)構(gòu)的DAC表現(xiàn)出雙突短時毛刺脈沖干擾

　　圖3中的代碼轉(zhuǎn)換仍然是從7FFFh至8000h。

　　為了理解DAC短時毛刺脈沖干擾的源頭，我們必須首先定義主進位轉(zhuǎn)換。在主進位轉(zhuǎn)換點上，最高有效位 （MSB）從低變高時， 較低的位從高變?yōu)榈?，反之亦然。其中一個此類代碼變換示例就是0111b變?yōu)?000b，或者是從1000 000b變?yōu)?111 1111b的更加明顯的變化。

　　有些人也許會認為這一現(xiàn)象在DAC的輸出表現(xiàn)出巨大的電壓變化時出現(xiàn)。實際上，這并不是每個DAC編碼機制都會出現(xiàn)的情況。更多細節(jié)請見參考文獻1。

　　圖4和圖5顯示了這種類型的毛刺脈沖對一個8位DAC的影響。對于DAC用戶來說，這一現(xiàn)象在單個最低有效位 （LSB） 步長時出現(xiàn)，或者在一個5V、8位系統(tǒng)中，在19.5mV步長時出現(xiàn)。

　　圖4

　　在這個8位DAC配置中，此內(nèi)部開關有7個R-2R引腳被接至VREF，有1個R-2R引腳接地。

　　圖5

　　在這個DAC配置中，此內(nèi)部開關有1個R-2R引腳被接至VREF，有7個R-2R引腳接地。

　　在DAC載入代碼時，會有兩個區(qū)域產(chǎn)生輸出毛刺脈沖：同時觸發(fā)多個開關的開關同步和開關電荷轉(zhuǎn)移。

　　此電阻串DAC具有一個單開關拓撲。一個電阻串DAC抽頭連接到巨大電阻串的不同點。開關網(wǎng)絡不需要主進位上的多個轉(zhuǎn)換，因此，產(chǎn)生毛刺脈沖的可能進性較低。開關電荷將會產(chǎn)生一個較小的毛刺脈沖，但是與R-2R結(jié)構(gòu)DAC產(chǎn)生的毛刺脈沖相比就顯得微不足道了。

　　代碼轉(zhuǎn)換期間，R-2R DAC具有多個同時開關切換。任何同步的缺失都導致短時間的開關全為高電平或全為低電平，從而使得DAC的電壓輸出遷移至電壓軌。然后這些開關恢復，在相反的方向上產(chǎn)生一個單突短時毛刺脈沖干擾。然后輸出穩(wěn)定。

　　這些毛刺脈沖的電壓位置是完全可預計的。在使用R-2R DAC時，最糟糕的情況是毛刺脈沖誤差出現(xiàn)在所有數(shù)字位切換，同時仍然用小電壓變化進行轉(zhuǎn)換時。在這種情況下，用主進位轉(zhuǎn)換進行DAC代碼變化；從代碼1000…變換為0111…。