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作者：Yuriy Kurtsevoy，技術(shù)團隊資深成員，Maxim Integrated 《逆樓梯而上》出自于同名電影、劇本及書籍，這是一部以紐約市一所學(xué)校為背景的喜劇。標(biāo)題來自于一項對學(xué)生的懲罰措施：沿向下運動的臺階向上走。當(dāng)臺階向下運動時，沿臺階或圖中所示的自動扶梯(圖1)向上跑，這對孩子來說總是一種抵擋不住的誘惑。有人可能會說孩子的思維“不拘泥于條條框框”或突破常規(guī)，也許是這樣吧。顯然，他是在挑戰(zhàn)預(yù)期、規(guī)定的流程、或常規(guī)思維。他也說明，拿出一些勇氣，可通過非常規(guī)方法實現(xiàn)目標(biāo)。這對工程師也具有一定借鑒意義。 
圖1：小男孩沿自動扶梯向上走，用非常規(guī)方法實現(xiàn)其目的，或許有些頑皮的成分。工程師可從中受到啟發(fā)，利用非常規(guī)方法解決問題。 我們有時候在設(shè)計模擬IC時，設(shè)計“元素”彼此間并不總是那么適合。解決方案似乎異常難以捉摸。比如我們需要利用單極性DAC實現(xiàn)雙極性輸出。當(dāng)今業(yè)內(nèi)的發(fā)展趨勢是小、低功耗和高性能器件，這幾個條件在決定解決方案時極具優(yōu)勢。然而，這種低電壓單極性DAC不能直接用于高性能、高電壓、高電流或雙極性應(yīng)用；任何附加電路必須不能降低DAC的性能。在這種情況下，我們就應(yīng)該不走尋常路，嘗試一些不同的方法。本文將介紹如何通過增加一個高電壓運算放大器，利用單極性DAC實現(xiàn)雙極性輸出。 改造“理想”的單極性DAC 圖2所示為簡單的雙極性輸出電路，電路包括單極性DAC、高精度電壓基準(zhǔn)和高精度運算放大器。
圖2. 典型雙極性輸出工作電路。 該電路的輸出功能基于對理想運算放大器的兩個常見假設(shè)： 1) 運算放大器的輸入電流為0。 2) 穩(wěn)態(tài)條件下，V+輸入電壓等于V-輸入電壓。 根據(jù)基爾霍夫電流定律，V-節(jié)點的公式為：
(公式1) 從式1中解出VOUT，并利用VDAC代替V-：
(公式2) 實際上，我們已經(jīng)推導(dǎo)出差分放大器的公式，其中第一項為同相輸入，第二項為反相分量，每一項具有各自的增益。 由于DAC輸出VDAC是輸入編碼及基準(zhǔn)電壓的函數(shù)，式2可寫為：
(公式3) 如果RFB = RINV，其比值為1，則可進(jìn)一步將該式簡化為：
(公式4) 所以，雙極性工作允許輸出在-VREF至+VREF之間擺動，增益為單位增益。表1所示為根據(jù)式4得出的圖2中理想16位DAC采用2.5V VREF時的理想雙極性輸出數(shù)據(jù)與對應(yīng)的編碼。 針對現(xiàn)實應(yīng)用優(yōu)化“理想”DAC 這么說，我們的單極性理想DAC很容易轉(zhuǎn)換。然而，在我們的現(xiàn)實世界中，沒有什么是理想的。圖2中的每個元件都具有一定的精度水平，整合到一起后，會共同影響DAC的最終輸出精度。必須根據(jù)應(yīng)用要求的精度，對系統(tǒng)進(jìn)行特征分析和校準(zhǔn)。所以，即使您可以選擇高精度16位DAC，也應(yīng)該特別謹(jǐn)慎地選擇相應(yīng)的電壓基準(zhǔn)、放大器及反饋電阻。哪個元件對精度的影響最大？哪個參數(shù)對雙極性應(yīng)用最為關(guān)鍵？這些問題既不簡單，也不是無關(guān)緊要。經(jīng)驗不足的工程師可能會驚訝地發(fā)現(xiàn)即使簡單的電阻對設(shè)計修改也非常關(guān)鍵。 選擇正確的電阻并不簡單 電阻匹配、容限及溫度系數(shù)對任何高精度應(yīng)用而言都是最為重要的參數(shù)，這些參數(shù)影響電路誤差、失調(diào)、增益誤差，以及整個工作溫度范圍內(nèi)的增益穩(wěn)定性。每個參數(shù)都需要仔細(xì)斟酌。 可供選擇的電阻類型各種各樣，從薄膜電阻到金屬箔電阻，容限從1%到0.01%。溫度系數(shù)從300ppm/°C到0.2ppm/°C，精度不同成本也不同。然而，對于設(shè)定增益最為重要的參數(shù)可能并不能從電阻的數(shù)據(jù)資料中直接得到：這個電阻是否匹配另一個電阻。對于批量生產(chǎn)，許多是可通過手動調(diào)匹配電阻的，但一個必須的前提條件是這兩個電阻要處于容限的相反兩端。這是允許在最差工作條件下安全工作的唯一假設(shè)條件。精密匹配電阻對可能會非常昂貴，這取決于它的制造工藝。采用半導(dǎo)體制造工藝的巨大優(yōu)勢是采用照相復(fù)制工藝制造電阻，并在相同基片上同時制造。有兩種方法可實現(xiàn)這一目的。一種方法是采用封裝內(nèi)包含兩個電阻的產(chǎn)品，另一種方法是用相匹配的多個電阻和一個DAC做到同一個封裝里。 選擇正確的放大器 選擇正確的放大器也極具挑戰(zhàn)性，尤其是對于16位和更高精度的DAC。必須嚴(yán)格關(guān)注輸入?yún)?shù)，這些參數(shù)包括：輸入偏置電流、輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電壓偏移、輸入電壓范圍、共模抑制比和電源抑制比、輸入電容及建立時間、輸入電流和電壓噪聲密度、總諧波失真和增益帶寬、擺率和輸出瞬態(tài)恢復(fù)時間。關(guān)于這些參數(shù)的詳細(xì)說明超出了本文的討論范圍，需要仔細(xì)閱讀放大器的數(shù)據(jù)資料。 外部因素影響電壓基準(zhǔn) 選擇電壓基準(zhǔn)時有多個關(guān)鍵指標(biāo)，需要仔細(xì)閱讀數(shù)據(jù)資料：輸出電壓精度、輸出電壓溫度系數(shù)、電源和負(fù)載調(diào)節(jié)、輸出電壓噪聲以及長期穩(wěn)定性。除此之外，還有其它現(xiàn)實需要考慮。外力會造成電壓基準(zhǔn)部分參數(shù)變差。例如，如果DAC的結(jié)構(gòu)改變了電壓基準(zhǔn)的負(fù)載，負(fù)載調(diào)節(jié)可能就會成為問題。 為了更好的理解這一過程，我們以三種不同的情景為例進(jìn)行介紹。 1. 假設(shè)一個DAC具有緩沖基準(zhǔn)輸入，在任何輸出電平和數(shù)字編碼時，基準(zhǔn)引腳上的阻抗相同。然而，如果沒有基準(zhǔn)輸入緩沖器，當(dāng)負(fù)載在工作期間發(fā)生變化時，應(yīng)用精度會降低。 2. 現(xiàn)在，假如一個電阻串的DAC結(jié)構(gòu)，或稱數(shù)字電位計，最簡單的形式是一組串聯(lián)電阻，每個電阻間有一個抽頭和開關(guān)，所以可選擇任何抽頭作為滑臂。如果電位計滑臂的電路負(fù)載的阻抗非常高，那么對電壓基準(zhǔn)從電位計頂部能夠檢測到的總電阻幾乎沒有影響。然而，如果滑臂的電阻負(fù)載較小，電壓基準(zhǔn)檢測到的負(fù)載電阻變化就非常明顯。這種情況下，數(shù)據(jù)資料中給出的負(fù)載調(diào)節(jié)對實際應(yīng)用精度的影響就比較大。 3. 以滿擺幅(R-2R)梯形網(wǎng)絡(luò)為例。R-2R結(jié)構(gòu)時，電壓基準(zhǔn)負(fù)載能夠以10倍至20倍發(fā)生變化，并且還會從RINV/RFB電阻和放大器引入的附加負(fù)載，所以要求電壓基準(zhǔn)的電阻應(yīng)盡量的高。 化腐朽為神奇——實用的雙極性DAC 通過附加的外部高精度運算放大器，單極性、16位、非緩沖DAC可實現(xiàn)雙極性電路。16位MAX542和MAX5442 DAC就是其中兩個例子，利用集成的0.015%(最大值)匹配電阻RFB和RINV很容易實現(xiàn)雙極性輸出擺動輸出(圖3)。使用這些DAC時，無需復(fù)制輸出緩沖器，節(jié)省PCB基板面，為用戶提供使用簡單、極具性價比的方案。
圖3：這些16位DAC使用外部運算放大器提供雙極性輸出。 該方案要求最新一代的運算放大器，例如MAX9632。圖3所示的DAC雙極性工作的INL和DNL的圖如圖4至圖7所示。INL計算使用的是HP3458A萬用表測得的非調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，采用端點法。
圖4：MAX542A的雙極性輸出INL。
圖5：MAX542A的雙極性輸出DNL。
圖6. MAX5442A的雙極性輸出INL。
圖7. MAX5442A的雙極性輸出DNL。 |
