ADI:新型高分辨率乘法DAC擅长处理交流信号

简介

所有数模转换器（DAC）都提供与数字设置增益和所施加基准 电压之积成比例的输出。乘法DAC与固定基准电压DAC不 同，因为它可以将高分辨率数字设置增益应用施加到可变带宽 模拟信号上。本文将讨论电阻梯乘法DAC及其对交流信号处 理应用的适用性。

基本原理

从1974, 年ADI公司推出世界首款（10 位）CMOS IC乘法DAC 以来，ADI公司就一直是乘法DAC设计与生产的领先者。它们 采用一个具有适当带宽的放大器，利用一个切换式R-2R梯和 一个片内反馈电阻实现了调整交流增益或可变直流基准电压 输入信号增益的简单方法，从而用DAC取代了典型反相运算 放大器级的输入和反馈电阻（图 1）。数字调整电阻梯和片内 反馈电阻一起，提供与数字输入成比例的增益(D/2ⁿ)使R_DAC 起 到了可变输入电阻的作用。

乘法DAC的市场发展迅速，历经数代更新，产品的分辨率、 精度和速度有了大幅提升，增加了各种数字存储功能、串行通 信选项，尺寸和成本大大降低并且每个芯片上还可以配置额外的DAC。最新一代的乘法DAC提供理想的构建模块，用于控 制可变直流或快速交流电压信号的增益。

电阻（R-2R）梯用于运算放大器反馈电路，提供数字控制电流， 电流经 R_FB转换成输出电压。放大器以低阻抗提供此输出。基 准电压输入具有恒定的对地电阻R。图 2 显示了该工作原理。 图 2a中，源电流V_REF/R, 转换成输出电压。放大器以低阻抗提供此输出。基 准电压输入具有恒定的对地电阻R。图 2 显示了该工作原理。 图 2a中，源电流 I_OUT1, 或导引至地（一般称 I_OUT2).同理，剩余电流的一半由开关S2 导引……如此类推。如果开关由一个 数字字D（S1 是MSB）激活，则流经R_FB (=R)的I_OUT1端电流之 和为 D × 2^–n × V_REF/R. 此配置的重要优势包括：可最大程度地 降低瞬态，因为开关在地和虚地之间切换；R_FB 与梯形电阻片内匹配，具备出色的温度跟踪性能。

数字字D给出的数值范围取决于所用的器件。ADI公司的部 分AD545x/AD554x系列乘法DAC的D值范围（第一象限）如下：

对于输出电压必须大于V_IN的应用，可通过在DAC级后面增加外部放大器来提高增益；或者只需通过衰减反馈电压在单级中实现，如图 3 所示。所示近似值对R₂||R₃<<R_FB. R₂ 和R₃应具有相似的温度系数，但如果R₂||R₃ 与R_FB相比较小，则其无需与DAC的温度系数相匹配。

正输出

要产生正电压输出，可以使用一个外部反相运算放大器电路来 另外反转输入或输出。 一些乘法DAC内置非专用匹配电阻（具 有跟踪温度系数），因此只需额外连接一个运算放大器（图 4 中的 A2）即可获得正输出，这个额外的运算放大器可以是一 个双通道器件内的配套运算放大器。

如果要求差分输出，则需要两个额外的运算放大器。请访问 www.analog.com/CN-0143Circuits from the Lab^® CN-0143查看完整的详细信息。

稳定性问题

图 2 和图 3 中显示的一个重要元件是补偿电容 (C₁). 电阻梯的输出电容加上放大器的输入电容及任何杂散电容，会在开环响应中产生极点——这会在环路闭合时引起振铃或不稳定。为了补偿这一点，通常与DAC的内部RFB并联连接一个外部反馈电容 C₁。如果C₁值过小， 会在输出端产生过冲或振铃，而值过大 则会过分降低系统带宽。DAC的内部输出电容随码而变化，因此C₁很难确定精确值。根据以下等式可计算出其最佳近似 值：

信号调理的关键 M-DAC规格

乘法带宽：增益为–3 dB时的基准电压输入频率。对于给定器件，它与幅度和选择的补偿电容呈函数关系。图 6 所示为可以使最高12 MHz的信号相乘的电流输出DAC AD5544、AD5554或AD545x的乘法带宽坐标图。配套的低功耗运算放大器 AD8038具备350 MHz带宽， 可确保该运算放大器在此范围内不会引起明显的动态误差。

模拟总谐波失真（THD）：乘法波形信号中谐波成分的数学表达。 它近似等于DAC输出的前四个谐波 (V₂, V₃, V₄, 和 V₅)之均方根 和与基波值V1（如图7所示）的对数比，计算公式如下：

乘法馈通误差：DAC的数字输入全部为0时，由基准电压输入至DAC输出的容性馈通所致的误差。理想情况下，一直到最低有效位DB0，每下降一位，增益便降低6 dB（图 8）。 不过，对于较低的位，容性馈通影响增益的频率更高。这一点 从较低位尾部上翘的平坦曲线可以看出。例如，14位DAC的DB2处，所有频率的理想增益应为–72 dB，但由于馈通效应，1MHz时的实际增益为–66 dB。

选择正确的运算放大器

乘法DAC电路性能非常依赖于所选运算放大器的能力，从而 在电阻梯输出端保持零电压，并实现电流电压转换。要实现最 佳的直流精度，重要的是要选择具有低失调电压和偏置电流的运算放大器，以保持误差与DAC的分辨率相当。详细的运算 放大器技术规格参见器件数据手册。

对于基准电压输入为较高速信号的应用，需要一个带宽较宽、 压摆率较高的运算放大器，以免削弱信号。一个运算放大器电路的增益-带宽受反馈网络的阻抗水平和增益配置限制。要确定所需的GBW，一种可行的方式是选择–3 dB带宽（10 倍于基准信号频率）的运算放大器。

必须考虑运算放大器的压摆率规格，以限制高频大信号的失真。对于AD54xx和AD55xx系列，压摆率为100 V/µs的运算放大器一般就够了。

表 1 列出了可供乘法应用选择的运算放大器。

查找适合的 DAC

欲了解可以查看M-DAC的数模转换器产品选型表，请访问 www.analog.com/en/digital-to-analog-converters/da-converters/products/index.html.

结论

自首款CMOS M-DAC问世以来的近40年间，相关器件不断更新换代，许多新的功能特性层出不穷，性能持续提升，成本和尺寸则大幅缩减。我们的高分辨率、14位/16位电流输出DAC产品系列AD55xx的最新性能改进包括：

• 积分非线性（INL）性能提高，±1 LSB
• 模拟THD和乘法馈通降低——乘法带宽增加
• 数字信号THD降低；可变基准电压（直流）应用的中间电平突波和数字馈通降低。

进一步阅读

1. Kester, Walt, The Data Conversion Handbook (2005) Newnes (Elsevier).