在DAC基礎知識：靜態技術規格中，我們探討了靜態技術規格以及它們對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） 和電阻串數模轉換器 （DAC） 的各種拓撲結構間是基本一致的。然而，R-2R和電阻串DAC的短時毛刺脈衝幹擾方麵的表現卻有著顯著的不同。

 

我們可以在DAC以工作采樣率運行時觀察到其動態不是線性。造成動態非線性的原因很多，但是影響最大的是短時毛刺脈衝幹擾
、轉換率/穩定時間和采樣抖動。

 

用戶可以在DAC以穩定采樣率在其輸出範圍內運行時觀察短時毛刺脈衝幹擾。圖1顯示的是一個16位R-2R DAC，DAC8881上的此類現象。

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衝幹擾的特性。

 

 

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換的過程中具有下衝或過衝特性。

 

這(zhe)一(yi)特(te)性(xing)在(zai)每(mei)一(yi)次(ci)代(dai)碼(ma)到(dao)代(dai)碼(ma)轉(zhuan)換(huan)時(shi)都(dou)不(bu)一(yi)致(zhi)。某(mou)些(xie)轉(zhuan)換(huan)中(zhong)產(chan)生(sheng)的(de)下(xia)衝(chong)或(huo)過(guo)衝(chong)特(te)性(xing)會(hui)比(bi)其(qi)它(ta)轉(zhuan)換(huan)更(geng)加(jia)明(ming)顯(xian)。而(er)短(duan)時(shi)毛(mao)刺(ci)脈(mai)衝(chong)幹(gan)擾(rao)技(ji)術(shu)規(gui)格(ge)量(liang)化(hua)的(de)就(jiu)是(shi)這(zhe)些(xie)特(te)性(xing)。DAC短時毛刺脈衝幹擾會瞬時輸出錯誤電壓來幹擾閉環係統。

 

圖2顯示的是具有單突短時毛刺脈衝幹擾的DAC的示例。一個電阻串DAC產生的通常就是這種類型的短時毛刺脈衝幹擾。

圖2

 

單突DAC輸出短時毛刺脈衝幹擾特性。

 

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

 

短時毛刺脈衝幹擾技術規格量化了這個毛刺脈衝現象所具有的能量

，能量單位為納伏秒，即nV-sec （GI）。這個短時毛刺脈衝幹擾的數量等於曲線下麵積的大小。

 

單突短時毛刺脈衝幹擾是由DAC內部開關的不同步造成的。那是什麼引起了這一DAC現象呢？原因就是內部DAC開關的同步不總是那麼精確。由於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產生兩個區域的短時毛刺脈衝幹擾錯誤（圖3）。由於出現了雙脈衝誤差
，從負短時毛刺脈衝幹擾 （G1） 中減去正短時毛刺脈衝幹擾 （G2） 來產生最終的短時毛刺脈衝幹擾技術規格。

圖3

 

具有R-2R內部結構的DAC表現出雙突短時毛刺脈衝幹擾

 

圖3中的代碼轉換仍然是從7FFFh至8000h。

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

 

有些人也許會認為這一現象在DAC的輸出表現出巨大的電壓變化時出現。實際上，這並不是每個DAC編碼機製都會出現的情況。更多細節請見參考文獻1。

 

圖4和圖5顯示了這種類型的毛刺脈衝對一個8位DAC的影響。對於DAC用戶來說，這一現象在單個最低有效位 （LSB） 步長時出現，或者在一個5V、8位係統中
，在19.5mV步長時出現。

圖4

 

在這個8位DAC配置中，此內部開關有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，會有兩個區域產生輸出毛刺脈衝：同時觸發多個開關的開關同步和開關電荷轉移。

 

此電阻串DAC具有一個單開關拓撲。一個電阻串DAC抽(chou)頭(tou)連(lian)接(jie)到(dao)巨(ju)大(da)電(dian)阻(zu)串(chuan)的(de)不(bu)同(tong)點(dian)。開(kai)關(guan)網(wang)絡(luo)不(bu)需(xu)要(yao)主(zhu)進(jin)位(wei)上(shang)的(de)多(duo)個(ge)轉(zhuan)換(huan)，因(yin)此(ci)
，產(chan)生(sheng)毛(mao)刺(ci)脈(mai)衝(chong)的(de)可(ke)能(neng)進(jin)性(xing)較(jiao)低(di)。開(kai)關(guan)電(dian)荷(he)將(jiang)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)較(jiao)小(xiao)的(de)毛(mao)刺(ci)脈(mai)衝(chong)


，但(dan)是(shi)與(yu)R-2R結構DAC產生的毛刺脈衝相比就顯得微不足道了。

代碼轉換期間
，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。然後這些開關恢複，在相反的方向上產生一個單突短時毛刺脈衝幹擾。然後輸出穩定。

 

這些毛刺脈衝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衝誤差出現在所有數字位切換，同時仍然用小電壓變化進行轉換時。在這種情況下，用主進位轉換進行DAC代碼變化；從代碼1000…變換為0111…。

 

 

現在，我們已經定義了針對短時毛刺脈衝幹擾誤差的備選代碼轉換，我們可以仔細觀察一下16位DAC8881（R-2R DAC） 和16位DAC8562（電阻串DAC）的R-2R和電阻串DAC短時毛刺脈衝幹擾。

 

在圖6中，DAC8881的短時毛刺脈衝幹擾為37.7 nV-sec
，而DAC8562的短時毛刺脈衝幹擾為0.1 nV-sec。在這兩張圖中，x軸的刻度為500ns/div
，而y軸的刻度為50mV/div。

圖6

 

R-2R和電阻串短時毛刺脈衝幹擾性能

 

 

如果存在DAC短時毛刺脈衝幹擾問題，用戶可以使用外部組件來減小毛刺脈衝幅度（圖7a），或者完全消除短時毛刺脈衝幹擾能量（圖7b。）

圖7

 

用一階低通濾波器 （a） 或采樣/保持解決方案 （b） 來減少短時毛刺脈衝幹擾誤差。

 

DAC之後的RC濾波器可減少毛刺脈衝幅度（圖7a）。短時毛刺脈衝幹擾周期決定了適當的RC比。RC濾波器3dB的de頻pin率lv比bi短duan時shi毛mao刺ci脈mai衝chong幹gan擾rao頻pin率lv提ti前qian十shi倍bei頻pin。在zai選xuan擇ze組zu件jian時shi需xu要yao確que保bao電dian阻zu器qi的de電dian阻zu值zhi較jiao低di，否fou則ze的de它ta將jiang會hui與yu電dian阻zu負fu載zai一yi起qi產chan生sheng一yi個ge壓ya降jiang。由you於yu毛mao刺ci脈mai衝chong能neng量liang從cong不bu會hui丟diu失shi，執zhi行xing單dan極ji低di通tong濾lv波bo器qi的de代dai價jia就jiu是shi在zai穩wen定ding時shi間jian加jia長chang的de同tong時shi誤wu差cha被bei分fen布bu在zai更geng長chang的de時shi間jian段duan內nei。

 

第二種方法是使用一個采樣/保持電容器和放大器（圖7b）。外部開關和放大器消除了DAC內部開關產生的毛刺脈衝，從而獲得較小的采樣/保持 （S/H） 開關瞬態。在這個設計中，開關在DAC的整個主進位轉換期間保持打開狀態。一旦轉換完成
，開關關閉，從而在CH采樣電容器上設定新輸出電壓。當DAC準(zhun)備(bei)升(sheng)級(ji)其(qi)輸(shu)出(chu)時(shi)
，此(ci)電(dian)容(rong)器(qi)在(zai)外(wai)部(bu)開(kai)關(guan)打(da)開(kai)時(shi)繼(ji)續(xu)保(bao)持(chi)新(xin)電(dian)壓(ya)。這(zhe)個(ge)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)成(cheng)本(ben)較(jiao)高(gao)，也(ye)會(hui)占(zhan)據(ju)更(geng)多(duo)的(de)板(ban)級(ji)空(kong)間(jian)
，但(dan)能(neng)夠(gou)在(zai)不(bu)增(zeng)加(jia)穩(wen)定(ding)時(shi)間(jian)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)減(jian)少(shao)/消除毛刺脈衝。