挑战传统-使单极性DAC成为双极性

星星科技指导员 2023-01-09 4054

描述

本应用笔记探讨了如何转换单极性数模转换器（DAC）以用于双极性应用。通过增加一个精密基准电压源和一个精密运算放大器，计算结果显示理想单极性DAC的转换。通过讨论如何选择所需的电阻、基准电压源和运算放大器以及需要考虑的参数来说明实际转换。

模拟IC的趋势是单电源数模转换器（DAC）。仅具有正5V电源的DAC很方便，但它将可用应用限制在不需要高电压、高电流或双极性（±）输出的应用。在本应用笔记中，我们说明了外部运算放大器如何转换单极性DAC以提供双极性工作。

走非常规路线

“上楼梯”一词来自电影、戏剧和同名书籍。1这是一部以纽约市一所学校为背景的喜剧。标题让人想起一条规则，该规则惩罚学生上楼梯而下楼。对于一个年轻人来说，跑上正在下降的楼梯或自动扶梯（图1）总是一个巨大的诱惑。有人可能会说孩子“跳出框框思考”或违反规则，也许他是。显然，他正在挑战预期或强制流程，即共同思维。他还展示了如何通过一些大胆的方法，通过非常规路线实现目标。这里有一个教训给我们工程师。

有时，当我们设计模拟电路时，设计“元素”只是不想组合在一起。解决方案似乎异常难以捉摸。一个例子是，当我们需要单极性DAC的双极性输出时。当今的行业趋势是向更小、更低功耗和更高性能的设备发展，这在解决解决方案问题时非常出色。然而，这种低压、单极性DAC不能直接在高性能、高电压、大电流或双极性应用中工作。任何额外的电路都不得降低DAC的性能。在这种情况下，是时候上自动扶梯了，尝试一些不同的东西。我们将向您展示如何通过添加高压运算放大器从单极性DAC产生双极性输出。

修改“理想”单极性DAC

一个简单的双极性输出电路如图2所示。它包含一个单极性DAC、一个精密基准电压源和一个精密运算放大器。

图2.典型的双极性输出工作电路。

本电路的输出功能可以通过对理想运算放大器进行两个常见假设来得出：

输入运算放大器电流为0。

在稳定条件下，V+输入等于V-输入。

根据基尔霍夫当前定律，V-节点的方程为：

事实上，我们已经推导出了差分放大器的方程，其中第一个元件是同相输入，第二个元件是反相分量，每个元件都有各自的增益。

由于DAC输出，V代数转换器，是输入代码和提供的基准电压的函数，公式2可以改写为：

因此，双极性操作允许输出从-V摆动裁判至 +V裁判随着团结的收获。表1显示了理想16位DAC和2.5V V的理想双极性输出数据与基于公式4的代码的关系裁判在图 2 中。

表 1.双极性输出与代码（V裁判= 2.5V）

十进制代码	二进制代码	十六进制代码	V外（五）
0	0000 0000 0000 0000	0	-2.50000000
1	0000 0000 0000 0001	1	-2.49992370
2	0000 0000 0000 0010	2	-2.49984741
3	0000 0000 0000 0011	3	-2.49977111
4	0000 0000 0000 0100	4	-2.49969482
5	0000 0000 0000 0101	5	-2.49961852
6	0000 0000 0000 0110	6	-2.49954223
7	0000 0000 0000 0111	7	-2.49946593
8	0000 0000 0000 1000	8	-2.49938964
9	0000 0000 0000 1001	9	-2.49931334
10	0000 0000 0000 1010	一个	-2.49923705
11	0000 0000 0000 1011	B	-2.49916075
12	0000 0000 0000 1100	C	-2.49908446
13	0000 0000 0000 1101	D	-2.49900816
14	0000 0000 0000 1110	E	-2.49893187
15	0000 0000 0000 1111	F	-2.49885557
.	.	.	.
.	.	.	.
.	.	.	.
32767	0111 1111 1111 1111	7FFF	-0.00003815
32768	1000 0000 0000 0000	8000	0.00003815
32769	1000 0000 0000 0001	8001	0.00011444
.	.	.	.
.	.	.	.
.	.	.	.
65534	1111 1111 1111 1110	FFFE	2.49992370
65535	1111 1111 1111 1111	FFFF	2.50000000

针对实际应用优化“理想”DAC

如我们所见，转换理想的单极性DAC很容易。然而，我们生活在现实世界中，没有什么是理想的。图2中的每个元件都有自己的精度水平，共同影响DAC的最终输出精度。每个系统都必须根据应用所需的精度进行表征和校准。因此，即使选择高精度16位DAC，也应特别注意选择合适的基准电压源、放大器和反馈电阻。哪个组件对不准确性的影响最大？哪些参数对于双极应用最关键？这些既不是简单的问题，也不是微不足道的问题。没有经验的工程师可能会惊讶地发现，即使是简单的电阻器对于这种设计修改也非常关键。

选择合适的电阻器并不简单

电阻匹配、容差和温度系数是任何精密应用中最重要的参数。这些参数会影响整个温度范围内的电路误差、失调、增益误差和增益稳定性。需要考虑每个参数。

有多种电阻器类型可供选择，从薄膜到金属箔，容差从 1% 到 0.01%。温度系数范围为300ppm/°C至0.2ppm/°C，成本跟踪精度。但是，电阻数据手册中可能没有明确提及设置增益的最重要参数：电阻与另一个电阻的匹配。对于可以手工匹配电阻器的多个部件的生产，必须假设两个电阻器位于公差的两端。这是在最坏情况下允许安全操作的唯一假设。精密匹配的电阻对可能很昂贵，具体取决于制造工艺。使用半导体制造工艺的最大优点是电阻器采用光复制工艺制造，并在同一基板上同时制造。有两种方法可以实现此目的。一种方法是封装中只有两个电阻的产品。2另一种方法使用多个电阻和一个DAC，它们在同一封装中匹配。我们在下面解释第二种方法。

选择合适的放大器

选择合适的放大器也可能具有挑战性，特别是对于16位和更高精度的DAC。必须密切注意输入参数。有很多：输入偏置电流、输入失调电压、输入失调电压漂移、输入电压范围、输入电容和建立时间以及输入电流和电压噪声密度。其他参数同样重要：共模抑制比（CMRR）和电源抑制比（PSRR）、总谐波失真（THD）和增益带宽、压摆率和输出瞬态恢复时间。这些参数的详细说明不在本文的讨论范围之内，需要对放大器的数据手册进行彻底检查。3

影响基准电压源的外部因素

选择基准电压源有几个关键规格，4您需要查阅每个数据手册：输出电压精度、输出电压温度系数、线路和负载调整率以及输出电压噪声和长期稳定性。在这一切之后，还有另一个考虑因素。外力会降低某些基准电压参数。5例如，如果DAC的结构改变了基准电压源上的负载，则负载调整率可能会成为一个问题。

为了更好地理解这个过程，我们考虑了三种不同的场景。

假设有一个带有缓冲基准输入的DAC，并且对于所有输出电平和数字代码，它在基准引脚上保持相同的阻抗。但是，如果没有基准输入缓冲器，如果负载在工作期间发生变化，应用精度可能会降低。

现在考虑一种串式DAC架构，也称为数字电位器，其最简单的形式是一组串联电阻，每个电阻之间都有一个抽头和开关，因此可以选择任何一个作为游标。如果电位器游标上的电路负载阻抗非常高，则对基准电压源在电位器顶部看到的总电阻几乎没有影响。但是，如果游标上的电阻负载较低，则基准电压源看到的负载电阻变化可能很大。在这种情况下，数据手册中定义的负载调整率会对应用精度产生重大影响。

还有一个轨到轨（R-2R）梯子。采用 R-2R 结构时，基准电压负载可变化 10 倍至 20 倍，电阻的额外负载 RINV和 RFB，放大器规定基准电压源的电阻应尽可能高。

使非常规变得实用——所需的双极性DAC

单极性、16位、无缓冲DAC可通过增加一个外部精密运算放大器来执行双极性操作。这种配置的两个例子是16位MAX542和MAX5442 DAC，它们使用集成的0.015% （最大值）匹配缩放电阻，R FB和 RINV，以实现轻松的双极性输出摆幅（图 3）。使用这些DAC消除了输出缓冲器的重复，节省了PCB空间，并为我们的客户提供了易于使用且具有成本效益的解决方案。

图3.这些16位DAC使用外部运算放大器提供双极性输出。

该方案需要最新一代的运算放大器，如MAX9632。图3中DAC的双极性操作的INL和DNL图如图4至图7所示。INL 计算是使用安捷伦 HP 3458A 万用表测量的非调整数据并采用终点法进行的。®®

结论

虽然在现实场景中并不那么简单，但如果您跳出框框思考，或者想走下楼梯，转换单极性DAC以用于需要双极性操作的应用是可行的。通过在单极性DAC中增加电阻、精密基准电压源和精密运算放大器，我们成功地做到了这一点。

审核编辑：郭婷

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