電路功能與優(yōu)勢

　　利用電壓輸出DAC實現(xiàn)真正的16位性能不僅要求選擇適當?shù)腄AC，而且要求選擇適當?shù)呐涮字С制骷?。針對精?6數(shù)模轉(zhuǎn)換應(yīng)用，本電路使用AD5542A/AD5541A電壓輸出DAC、ADR421基準電壓源以及用作基準電壓緩沖的AD8675 超低失調(diào)運算放大器，提供了一款低風險解決方案。

　　基準電壓緩沖對于設(shè)計至關(guān)重要，因為DAC基準輸入的輸入阻抗與碼高度相關(guān)，如果DAC基準電壓源未經(jīng)充分緩沖，將導(dǎo)致線性誤差。開環(huán)增益高達120 dB的AD8675已經(jīng)過驗證和測試，符合本電路應(yīng)用關(guān)于建立時間、失調(diào)電壓和低阻抗驅(qū)動能力的要求。

　　需要時，精密、低失調(diào)OP1177 可以用作可選的輸出緩沖器。

　　這一器件組合可以提供業(yè)界的16位分辨率、±1 LSB積分非線性和±1 LSB微分非線性，可以確保單調(diào)性，并且具有低功耗、小PCB和高性價比等特性。

　　圖1. 精密DAC配置

　　電路描述

　　對于無誤差的理想DAC，輸出電壓與基準電壓相關(guān)，如下式所示：

　　其中D為載入DAC寄存器的十進制數(shù)據(jù)字，N為DAC的分辨率。

　　對于2.5 V基準電壓且N = 16，上述公式可簡化為下式：

　　這樣，在中間電平時VOUT為1.25 V，在滿量程時為2.5 V。

　　LSB大小為2.5 V/65,536 = 38.1 μV。

　　16位時，1 LSB也相當于滿量程的0.0015%，或者15 ppm FS。

　　基準電壓源ADR421的室溫初始為0.04%，相當于16位時的約27 LSB。此初始誤差可以通過系統(tǒng)校準消除。ADR421的溫度系數(shù)典型值為1 ppm/°C，值為3 ppm/°C。

　　假設(shè)使用理想基準電壓源，則AD5542A的差情況單極性輸出電壓可通過下式計算：

　　室溫下，此電路的實測零電平誤差和增益誤差分別為±0.7 LSB和±2 LSB。在整個溫度范圍內(nèi)，零電平誤差為±1.5 LSB，增益誤差為±3 LSB。這些測量結(jié)果是從AD5542A的VOUT直接獲得，沒有連接輸出緩沖器。

　　AD5542A有兩種工作模式：緩沖模式和非緩沖模式。使用何種工作模式由具體應(yīng)用及其建立時間、負載阻抗、噪聲等要求而定?？梢赃x擇輸出緩沖器來優(yōu)化直流或快速建立時間。本電路所用的可選輸出放大器為高OP1177。DAC的輸出阻抗恒定，且與碼無關(guān)，但為了將增益誤差降至，輸出放大器的輸入阻抗應(yīng)盡可能高。輸出放大器還應(yīng)具有1 MHz或更高的3 dB帶寬。輸出放大器給系統(tǒng)增加了另一個時間常數(shù)，因此會延長輸出的建立時間。運算放大器的帶寬越寬，則DAC與放大器組合的有效建立時間越短。

　　圖1所示的器件組合實現(xiàn)了的PCB面積。AD5542A采用3 mm × 3 mm、16引腳LFCSP或16引腳TSSOP封裝。AD5541A采用3 mm × 3 mm、10引腳LFCSP或10引腳MSOP封裝。

　　請注意，AD5541A不包含基準電壓和地上的開爾文檢測線路、清零功能以及RFB 和 RINV電阻。

　　AD8675和ADR421采用8引腳MSOP或SOIC封裝，OP1177采用8引腳MSOP封裝。

　　可選輸出運算放大器為采用單位增益配置的OP1177，它包括一個與反相輸入端串聯(lián)的6.19 kΩ電阻。此電阻用于抵消偏置電流，并與AD5542A的輸出電阻相匹配，后者約為6.25 kΩ ± 20%。

　　測量結(jié)果表明，AD5542A/AD5541A是高、低噪聲電平設(shè)置應(yīng)用的理想選擇。在這一高、高性能系統(tǒng)中，通過基準電壓源ADR421和基準電壓緩沖AD8675保持直流性能水平。測量直接在VOUT上進行，沒有連接可選的輸出緩沖器。

　　積分非線性和微分非線性測量

　　積分非線性誤差指實際DAC傳遞函數(shù)與理想傳遞函數(shù)的偏差，用LSB表示。差分非線性誤差指實際步進大小與1 LSB的理想值之間的差異。圖1所示電路提供了16位分辨率，DNL和INL均為±1 LSB。圖2和圖3顯示了該電路的DNL和INL性能。

　　圖2. 微分非線性

　　圖3. 積分非線性

　　零電平誤差和增益誤差測量

　　室溫下，零電平誤差 和增益誤差的測量結(jié)果分別為±0.7 LSB和±2 LSB。在整個溫度范圍內(nèi)，零電平誤差為±1.5 LSB，增益誤差為±3 LSB。

　　布局考慮

　　AD5542A/AD5541A的電源應(yīng)使用10 μF和0.1 μF電容進行旁路。這些電容應(yīng)盡可能靠近該器件，0.1 μF電容正對著該器件右上方。10 μF電容應(yīng)為鉭珠型或陶瓷型電容。0.1 μF電容必須具有低等效串聯(lián)電阻和低等效串聯(lián)電感，普通陶瓷型電容通常具有這些特性。

　　針對內(nèi)部邏輯開關(guān)引起的瞬態(tài)電流所導(dǎo)致的高頻，該0.1 μF電容可提供低阻抗接地路徑。有關(guān)正確去耦技術(shù)的更多信息，請參考教程MT-101。

　　電源走線應(yīng)盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應(yīng)。時鐘和其它快速開關(guān)的數(shù)字信號應(yīng)通過數(shù)字地將其與電路板上的其它器件屏蔽開。

　　常見變化

　　AD8628 是另一款適合用作本電路中基準電壓緩沖的運算放大器，它提供低失調(diào)電壓和超低偏置電流，開環(huán)增益為125 dB。ADR421可以用ADR423或ADR434代替，二者均為低噪聲基準電壓源，與ADR421同屬一個基準電壓源系列。超低噪聲基準電壓源ADR441和ADR431 也是合適的替代器件，提供2.5 V輸出。

　　AD8661是可選輸出緩沖器的另一個不錯的選擇。它是一款CMOS運算放大器，采用了ADI公司的DigiTrim?技術(shù)，可實現(xiàn)低失調(diào)電壓，并具有低輸入偏置電流和寬信號帶寬等特性。

　　AD8605或AD8655也是可以考慮的選擇，不過由于所有軌到軌運算放大器都有的輸出級限制，在近0 V輸出時具有非線性。

　　AD5542A的內(nèi)置電阻RFB and RINV，可以配合外部運算放大器提供雙極性電壓輸出。