挑戰(zhàn)傳統(tǒng)-使單極性DAC成為雙極性

本應(yīng)用筆記探討了如何轉(zhuǎn)換單極性數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）以用于雙極性應(yīng)用。通過(guò)增加一個(gè)精密基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)精密運(yùn)算放大器，計(jì)算結(jié)果顯示理想單極性DAC的轉(zhuǎn)換。通過(guò)討論如何選擇所需的電阻、基準(zhǔn)電壓源和運(yùn)算放大器以及需要考慮的參數(shù)來(lái)說(shuō)明實(shí)際轉(zhuǎn)換。

模擬IC的趨勢(shì)是單電源數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。僅具有正5V電源的DAC很方便，但它將可用應(yīng)用限制在不需要高電壓、高電流或雙極性（±）輸出的應(yīng)用。在本應(yīng)用筆記中，我們說(shuō)明了外部運(yùn)算放大器如何轉(zhuǎn)換單極性DAC以提供雙極性工作。

走非常規(guī)路線

“上樓梯”一詞來(lái)自電影、戲劇和同名書籍。1這是一部以紐約市一所學(xué)校為背景的喜劇。標(biāo)題讓人想起一條規(guī)則，該規(guī)則懲罰學(xué)生上樓梯而下樓。對(duì)于一個(gè)年輕人來(lái)說(shuō)，跑上正在下降的樓梯或自動(dòng)扶梯（圖1）總是一個(gè)巨大的誘惑。有人可能會(huì)說(shuō)孩子“跳出框框思考”或違反規(guī)則，也許他是。顯然，他正在挑戰(zhàn)預(yù)期或強(qiáng)制流程，即共同思維。他還展示了如何通過(guò)一些大膽的方法，通過(guò)非常規(guī)路線實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。這里有一個(gè)教訓(xùn)給我們工程師。

有時(shí)，當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)模擬電路時(shí)，設(shè)計(jì)“元素”只是不想組合在一起。解決方案似乎異常難以捉摸。一個(gè)例子是，當(dāng)我們需要單極性DAC的雙極性輸出時(shí)。當(dāng)今的行業(yè)趨勢(shì)是向更小、更低功耗和更高性能的設(shè)備發(fā)展，這在解決解決方案問(wèn)題時(shí)非常出色。然而，這種低壓、單極性DAC不能直接在高性能、高電壓、大電流或雙極性應(yīng)用中工作。任何額外的電路都不得降低DAC的性能。在這種情況下，是時(shí)候上自動(dòng)扶梯了，嘗試一些不同的東西。我們將向您展示如何通過(guò)添加高壓運(yùn)算放大器從單極性DAC產(chǎn)生雙極性輸出。

修改“理想”單極性DAC

一個(gè)簡(jiǎn)單的雙極性輸出電路如圖2所示。它包含一個(gè)單極性DAC、一個(gè)精密基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)精密運(yùn)算放大器。

圖2.典型的雙極性輸出工作電路。

本電路的輸出功能可以通過(guò)對(duì)理想運(yùn)算放大器進(jìn)行兩個(gè)常見(jiàn)假設(shè)來(lái)得出：

輸入運(yùn)算放大器電流為0。

在穩(wěn)定條件下，V+輸入等于V-輸入。

根據(jù)基爾霍夫當(dāng)前定律，V-節(jié)點(diǎn)的方程為：

事實(shí)上，我們已經(jīng)推導(dǎo)出了差分放大器的方程，其中第一個(gè)元件是同相輸入，第二個(gè)元件是反相分量，每個(gè)元件都有各自的增益。

由于DAC輸出，V代數(shù)轉(zhuǎn)換器，是輸入代碼和提供的基準(zhǔn)電壓的函數(shù)，公式2可以改寫為：

因此，雙極性操作允許輸出從-V擺動(dòng)裁判至 +V裁判隨著團(tuán)結(jié)的收獲。表1顯示了理想16位DAC和2.5V V的理想雙極性輸出數(shù)據(jù)與基于公式4的代碼的關(guān)系裁判在圖 2 中。

表 1.雙極性輸出與代碼（V裁判= 2.5V）

針對(duì)實(shí)際應(yīng)用優(yōu)化“理想”DAC

如我們所見(jiàn)，轉(zhuǎn)換理想的單極性DAC很容易。然而，我們生活在現(xiàn)實(shí)世界中，沒(méi)有什么是理想的。圖2中的每個(gè)元件都有自己的精度水平，共同影響DAC的最終輸出精度。每個(gè)系統(tǒng)都必須根據(jù)應(yīng)用所需的精度進(jìn)行表征和校準(zhǔn)。因此，即使選擇高精度16位DAC，也應(yīng)特別注意選擇合適的基準(zhǔn)電壓源、放大器和反饋電阻。哪個(gè)組件對(duì)不準(zhǔn)確性的影響最大？哪些參數(shù)對(duì)于雙極應(yīng)用最關(guān)鍵？這些既不是簡(jiǎn)單的問(wèn)題，也不是微不足道的問(wèn)題。沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的工程師可能會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，即使是簡(jiǎn)單的電阻器對(duì)于這種設(shè)計(jì)修改也非常關(guān)鍵。

選擇合適的電阻器并不簡(jiǎn)單

電阻匹配、容差和溫度系數(shù)是任何精密應(yīng)用中最重要的參數(shù)。這些參數(shù)會(huì)影響整個(gè)溫度范圍內(nèi)的電路誤差、失調(diào)、增益誤差和增益穩(wěn)定性。需要考慮每個(gè)參數(shù)。

有多種電阻器類型可供選擇，從薄膜到金屬箔，容差從 1% 到 0.01%。溫度系數(shù)范圍為300ppm/°C至0.2ppm/°C，成本跟蹤精度。但是，電阻數(shù)據(jù)手冊(cè)中可能沒(méi)有明確提及設(shè)置增益的最重要參數(shù)：電阻與另一個(gè)電阻的匹配。對(duì)于可以手工匹配電阻器的多個(gè)部件的生產(chǎn)，必須假設(shè)兩個(gè)電阻器位于公差的兩端。這是在最壞情況下允許安全操作的唯一假設(shè)。精密匹配的電阻對(duì)可能很昂貴，具體取決于制造工藝。使用半導(dǎo)體制造工藝的最大優(yōu)點(diǎn)是電阻器采用光復(fù)制工藝制造，并在同一基板上同時(shí)制造。有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)此目的。一種方法是封裝中只有兩個(gè)電阻的產(chǎn)品。2另一種方法使用多個(gè)電阻和一個(gè)DAC，它們?cè)谕环庋b中匹配。我們?cè)谙旅娼忉尩诙N方法。

選擇合適的放大器

選擇合適的放大器也可能具有挑戰(zhàn)性，特別是對(duì)于16位和更高精度的DAC。必須密切注意輸入?yún)?shù)。有很多：輸入偏置電流、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電壓漂移、輸入電壓范圍、輸入電容和建立時(shí)間以及輸入電流和電壓噪聲密度。其他參數(shù)同樣重要：共模抑制比（CMRR）和電源抑制比（PSRR）、總諧波失真（THD）和增益帶寬、壓擺率和輸出瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間。這些參數(shù)的詳細(xì)說(shuō)明不在本文的討論范圍之內(nèi)，需要對(duì)放大器的數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行徹底檢查。3

影響基準(zhǔn)電壓源的外部因素

選擇基準(zhǔn)電壓源有幾個(gè)關(guān)鍵規(guī)格，4您需要查閱每個(gè)數(shù)據(jù)手冊(cè)：輸出電壓精度、輸出電壓溫度系數(shù)、線路和負(fù)載調(diào)整率以及輸出電壓噪聲和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在這一切之后，還有另一個(gè)考慮因素。外力會(huì)降低某些基準(zhǔn)電壓參數(shù)。5例如，如果DAC的結(jié)構(gòu)改變了基準(zhǔn)電壓源上的負(fù)載，則負(fù)載調(diào)整率可能會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。

為了更好地理解這個(gè)過(guò)程，我們考慮了三種不同的場(chǎng)景。

假設(shè)有一個(gè)帶有緩沖基準(zhǔn)輸入的DAC，并且對(duì)于所有輸出電平和數(shù)字代碼，它在基準(zhǔn)引腳上保持相同的阻抗。但是，如果沒(méi)有基準(zhǔn)輸入緩沖器，如果負(fù)載在工作期間發(fā)生變化，應(yīng)用精度可能會(huì)降低。

現(xiàn)在考慮一種串式DAC架構(gòu)，也稱為數(shù)字電位器，其最簡(jiǎn)單的形式是一組串聯(lián)電阻，每個(gè)電阻之間都有一個(gè)抽頭和開(kāi)關(guān)，因此可以選擇任何一個(gè)作為游標(biāo)。如果電位器游標(biāo)上的電路負(fù)載阻抗非常高，則對(duì)基準(zhǔn)電壓源在電位器頂部看到的總電阻幾乎沒(méi)有影響。但是，如果游標(biāo)上的電阻負(fù)載較低，則基準(zhǔn)電壓源看到的負(fù)載電阻變化可能很大。在這種情況下，數(shù)據(jù)手冊(cè)中定義的負(fù)載調(diào)整率會(huì)對(duì)應(yīng)用精度產(chǎn)生重大影響。

還有一個(gè)軌到軌（R-2R）梯子。采用 R-2R 結(jié)構(gòu)時(shí)，基準(zhǔn)電壓負(fù)載可變化 10 倍至 20 倍，電阻的額外負(fù)載 RINV和 RFB，放大器規(guī)定基準(zhǔn)電壓源的電阻應(yīng)盡可能高。

使非常規(guī)變得實(shí)用——所需的雙極性DAC

單極性、16位、無(wú)緩沖DAC可通過(guò)增加一個(gè)外部精密運(yùn)算放大器來(lái)執(zhí)行雙極性操作。這種配置的兩個(gè)例子是16位MAX542和MAX5442 DAC，它們使用集成的0.015% （最大值）匹配縮放電阻，R FB和 RINV，以實(shí)現(xiàn)輕松的雙極性輸出擺幅（圖 3）。使用這些DAC消除了輸出緩沖器的重復(fù)，節(jié)省了PCB空間，并為我們的客戶提供了易于使用且具有成本效益的解決方案。

圖3.這些16位DAC使用外部運(yùn)算放大器提供雙極性輸出。

該方案需要最新一代的運(yùn)算放大器，如MAX9632。圖3中DAC的雙極性操作的INL和DNL圖如圖4至圖7所示。INL 計(jì)算是使用安捷倫 HP 3458A 萬(wàn)用表測(cè)量的非調(diào)整數(shù)據(jù)并采用終點(diǎn)法進(jìn)行的。??

結(jié)論

雖然在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中并不那么簡(jiǎn)單，但如果您跳出框框思考，或者想走下樓梯，轉(zhuǎn)換單極性DAC以用于需要雙極性操作的應(yīng)用是可行的。通過(guò)在單極性DAC中增加電阻、精密基準(zhǔn)電壓源和精密運(yùn)算放大器，我們成功地做到了這一點(diǎn)。

審核編輯：郭婷