如何準(zhǔn)確測(cè)量和降低DAC中的毛刺脈沖能量

本應(yīng)用筆記討論了DAC中毛刺脈沖能量的原因，并提出了一種降低毛刺脈沖能量的簡(jiǎn)單解決方案。

介紹

當(dāng)數(shù)字代碼輸入從低到高或從高到低變化時(shí)，所有數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）在模擬輸出端都會(huì)表現(xiàn)出毛刺脈沖。這種現(xiàn)象在中間量程的主要進(jìn)位代碼轉(zhuǎn)換期間最為明顯，這可能會(huì)產(chǎn)生不良的性能。本應(yīng)用筆記研究了這種毛刺脈沖的原因，并探討了在低功耗、16位緩沖電壓輸出、高線性度DAC等DAC等DAC中降低毛刺脈沖的實(shí)用方法。

什么原因?qū)е鹿收夏芰浚?/p>

當(dāng)DAC輸出模擬值發(fā)生變化時(shí)，在DAC輸出端觀察到動(dòng)態(tài)現(xiàn)象，表現(xiàn)為毛刺，如圖1所示。該毛刺能量定義為電壓曲線下的面積與示波器上捕獲的時(shí)間圖的關(guān)系。該毛刺能量的單位是nV × s。

圖1.主要代碼轉(zhuǎn)換時(shí)的典型DAC毛刺脈沖。

這種毛刺是由于當(dāng)數(shù)字位改變時(shí)選擇電阻時(shí)內(nèi)部開(kāi)關(guān)之間的傳播延遲不匹配而產(chǎn)生的，如圖2所示。當(dāng)輸入代碼在中量程更改時(shí)，這一點(diǎn)最為明顯。對(duì)于像MAX5134這樣的16位DAC，這種代碼變化從0X7FFF到0X8000，反之亦然。原因是在二進(jìn)制格式中，0X7FFF分別為 0111 1111 1111 1111 和 0X8000 1000 000 0000 00000。在數(shù)字表示中，它們分別為 32767 和 32768。這表明，在中間量程，包括最高有效位（MSB）在內(nèi)的所有位都僅通過(guò)1個(gè)最低有效位（LSB）變化而改變，從而產(chǎn)生主要的進(jìn)位轉(zhuǎn)換，因?yàn)樗袃?nèi)部開(kāi)關(guān)同時(shí)開(kāi)路或閉合。因此，最糟糕的故障是在這個(gè)中間尺度轉(zhuǎn)換處產(chǎn)生的。

如果DAC中存在輸出緩沖放大器，則輸出緩沖放大器也會(huì)出現(xiàn)這種毛刺，MAX5134就是這種情況。毛刺是所有DAC固有的，但其幅度可以通過(guò)外部電路（如簡(jiǎn)單的RC低通濾波器）來(lái)降低。

圖2.典型的R2R DAC架構(gòu)。

減少毛刺脈沖的方法

圖3示波器圖顯示了輸入代碼從0變?yōu)?時(shí)的MAX5134毛刺脈沖。毛刺脈沖幾乎察覺(jué)不到，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)閉合，因?yàn)檩斎霃妮斎霐?shù)字代碼0到1不等。

圖3.輸入數(shù)字代碼從0更改為1時(shí)的MAX5134毛刺脈沖。

圖4示波器圖顯示了輸入代碼從0X777變?yōu)?X8000時(shí)輸入代碼1LSB時(shí)的毛刺脈沖。

正如預(yù)測(cè)的那樣，毛刺脈沖更加明顯。

圖4.MAX5134輸入代碼從0X7FFF更改為0X8000時(shí)的主要代碼轉(zhuǎn)換模擬毛刺脈沖1LSB。

主要代碼毛刺脈沖通常是毛刺脈沖下的區(qū)域。其計(jì)算方法如下： 主代碼轉(zhuǎn)換模擬毛刺脈沖 ~ 10mV × 2.5μs ~ 25nV × s，在MAX5134數(shù)據(jù)資料的電氣特性表中有規(guī)定。

通過(guò)在MAX5134 DAC輸出端安裝RC低通濾波器（R = 13.8k？， C = 33pF），可以減小這種主要代碼毛刺脈沖幅度，如圖5所示。

圖5.MAX5134主代碼轉(zhuǎn)換模擬毛刺脈沖，當(dāng)輸入代碼從0x7FFF更改為0x8000時(shí)，輸出端采用RC低通濾波器（R = 13.8k？，C = 33pF）。

采用RC低通濾波器時(shí)，主代碼轉(zhuǎn)換模擬毛刺脈沖為~10mV×1.5μs~15nV × s。

通過(guò)將MAX5134 DAC輸出端的電容增大至100pF，可以進(jìn)一步減小這種主要代碼毛刺脈沖幅度，如圖6所示。

圖6.MAX5134主代碼轉(zhuǎn)換模擬毛刺脈沖，當(dāng)輸入代碼從0x7FFF更改為0x8000時(shí)，輸出端采用RC低通濾波器（R = 13.8k？，C = 100pF）。

采用RC低通濾波器（C = 100pF）時(shí)，主碼轉(zhuǎn)換模擬毛刺脈沖為~3 × 1μs×8mV/2 = 12nV × s。

當(dāng)C進(jìn)一步增加到180pF時(shí)，毛刺脈沖僅為7.5nV × s，如圖7中的示波器圖所示。

圖7.將電容值增加到180pF，以進(jìn)一步降低毛刺脈沖。

采用RC低通濾波器（C = 180pF）時(shí)，主碼轉(zhuǎn)換模擬毛刺脈沖為3 × 1μs×5mV/2 = 7.5nV × s。

表1總結(jié)了各種輸出低通濾波器帶寬下的毛刺脈沖能量值。隨著RC濾波器帶寬的減小，毛刺脈沖也隨之減小。選擇此RC濾波器帶寬以滿(mǎn)足特定應(yīng)用確定的所需工作頻率。

表 1.MAX5134毛刺脈沖能量值與輸出低通濾波器帶寬的關(guān)系

測(cè)量精度

毛刺脈沖通常表現(xiàn)出低幅度（mV）。要準(zhǔn)確測(cè)量此低壓信號(hào)，請(qǐng)使用泰克 P6243 1GHz FET 探頭。它具有1pF電容和1M？的高阻抗。探頭還提供與地面的短連接，從而能夠更準(zhǔn)確地測(cè)量這種毛刺脈沖能量。圖9所示為所需的MAX5134毛刺脈沖測(cè)量設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。

圖9.MAX5134毛刺脈沖測(cè)量，使用泰克P6234探頭。

使用其他具有長(zhǎng)接地連接的低頻探頭可能會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確和嘈雜的結(jié)果，如圖10和圖11所示。

圖 10.MAX5134毛刺脈沖測(cè)量采用標(biāo)準(zhǔn)示波器探頭，長(zhǎng)鱷魚(yú)夾接地連接到PCB。

圖 11.MAX5134毛刺脈沖測(cè)量采用與圖7相同的設(shè)置條件，但采用標(biāo)準(zhǔn)示波器探頭，長(zhǎng)鱷魚(yú)皮接地夾連接到PCB。

結(jié)論

毛刺脈沖能量是所有DAC固有的，但通過(guò)簡(jiǎn)單的低通濾波器，其幅度可以很容易地降低60%以上。由于其幅度為低信號(hào)（mV），因此使用與PCB接地較短的適當(dāng)示波器探頭進(jìn)行精確測(cè)量非常重要。

審核編輯：郭婷