方案對接:DAC輸出短時(shí)毛刺脈沖干擾如何解決
發(fā)布時(shí)間:2015-12-10 責(zé)任編輯:sherry
【導(dǎo)讀】在DAC基礎(chǔ)知識(shí):靜態(tài)技術(shù)規(guī)格中,我們探討了靜態(tài)技術(shù)規(guī)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?dāng)?shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間是基本一致的。然而,R-2R和電阻串DAC的短時(shí)毛刺脈沖干擾方面的表現(xiàn)卻有著顯著的不同。
我們可以在DAC以工作采樣率運(yùn)行時(shí)觀察到其動(dòng)態(tài)不是線性。造成動(dòng)態(tài)非線性的原因很多,但是影響最大的是短時(shí)毛刺脈沖干擾、轉(zhuǎn)換率/穩(wěn)定時(shí)間和采樣抖動(dòng)。
用戶可以在DAC以穩(wěn)定采樣率在其輸出范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)觀察短時(shí)毛刺脈沖干擾。圖1顯示的是一個(gè)16位R-2R DAC,DAC8881上的此類現(xiàn)象。
圖1
這個(gè)16位DAC (R-2R) 輸出顯示了7FFFh – 8000h代碼變化時(shí)的短時(shí)毛刺脈沖干擾的特性。
到底發(fā)生了什么?
在理想情況下,DAC的輸出按照預(yù)期的方向從一個(gè)電壓值移動(dòng)到下一個(gè)電壓值。但實(shí)際情況中,DAC電路在某些代碼到代碼轉(zhuǎn)換的過程中具有下沖或過沖特性。
這一特性在每一次代碼到代碼轉(zhuǎn)換時(shí)都不一致。某些轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的下沖或過沖特性會(huì)比其它轉(zhuǎn)換更加明顯。而短時(shí)毛刺脈沖干擾技術(shù)規(guī)格量化的就是這些特性。DAC短時(shí)毛刺脈沖干擾會(huì)瞬時(shí)輸出錯(cuò)誤電壓來干擾閉環(huán)系統(tǒng)。
圖2顯示的是具有單突短時(shí)毛刺脈沖干擾的DAC的示例。一個(gè)電阻串DAC產(chǎn)生的通常就是這種類型的短時(shí)毛刺脈沖干擾。
圖2
單突DAC輸出短時(shí)毛刺脈沖干擾特性。
在圖2中,代碼轉(zhuǎn)換的位置是從7FFFh到8000h。如果你將這些數(shù)變換為二進(jìn)制形式,需要注意的是這兩個(gè)十六進(jìn)制代碼的每個(gè)位或者從1變換為0,或者從0變換為1。
短時(shí)毛刺脈沖干擾技術(shù)規(guī)格量化了這個(gè)毛刺脈沖現(xiàn)象所具有的能量,能量單位為納伏秒,即nV-sec (GI)。這個(gè)短時(shí)毛刺脈沖干擾的數(shù)量等于曲線下面積的大小。
單突短時(shí)毛刺脈沖干擾是由DAC內(nèi)部開關(guān)的不同步造成的。那是什么引起了這一DAC現(xiàn)象呢?原因就是內(nèi)部DAC開關(guān)的同步不總是那么精確。由于集成開關(guān)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(chǎn)生兩個(gè)區(qū)域的短時(shí)毛刺脈沖干擾錯(cuò)誤(圖3)。由于出現(xiàn)了雙脈沖誤差,從負(fù)短時(shí)毛刺脈沖干擾 (G1) 中減去正短時(shí)毛刺脈沖干擾 (G2) 來產(chǎn)生最終的短時(shí)毛刺脈沖干擾技術(shù)規(guī)格。
圖3
具有R-2R內(nèi)部結(jié)構(gòu)的DAC表現(xiàn)出雙突短時(shí)毛刺脈沖干擾
圖3中的代碼轉(zhuǎn)換仍然是從7FFFh至8000h。
為了理解DAC短時(shí)毛刺脈沖干擾的源頭,我們必須首先定義主進(jìn)位轉(zhuǎn)換。在主進(jìn)位轉(zhuǎn)換點(diǎn)上,最高有效位 (MSB)從低變高時(shí), 較低的位從高變?yōu)榈?,反之亦然。其中一個(gè)此類代碼變換示例就是0111b變?yōu)?000b,或者是從1000 000b變?yōu)?111 1111b的更加明顯的變化。
有些人也許會(huì)認(rèn)為這一現(xiàn)象在DAC的輸出表現(xiàn)出巨大的電壓變化時(shí)出現(xiàn)。實(shí)際上,這并不是每個(gè)DAC編碼機(jī)制都會(huì)出現(xiàn)的情況。更多細(xì)節(jié)請見參考文獻(xiàn)1。
圖4和圖5顯示了這種類型的毛刺脈沖對一個(gè)8位DAC的影響。對于DAC用戶來說,這一現(xiàn)象在單個(gè)最低有效位 (LSB) 步長時(shí)出現(xiàn),或者在一個(gè)5V、8位系統(tǒng)中,在19.5mV步長時(shí)出現(xiàn)。
圖4
在這個(gè)8位DAC配置中,此內(nèi)部開關(guān)有7個(gè)R-2R引腳被接至VREF,有1個(gè)R-2R引腳接地。
圖5
在這個(gè)DAC配置中,此內(nèi)部開關(guān)有1個(gè)R-2R引腳被接至VREF,有7個(gè)R-2R引腳接地。
在DAC載入代碼時(shí),會(huì)有兩個(gè)區(qū)域產(chǎn)生輸出毛刺脈沖:同時(shí)觸發(fā)多個(gè)開關(guān)的開關(guān)同步和開關(guān)電荷轉(zhuǎn)移。
此電阻串DAC具有一個(gè)單開關(guān)拓?fù)?。一個(gè)電阻串DAC抽頭連接到巨大電阻串的不同點(diǎn)。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)不需要主進(jìn)位上的多個(gè)轉(zhuǎn)換,因此,產(chǎn)生毛刺脈沖的可能進(jìn)性較低。開關(guān)電荷將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較小的毛刺脈沖,但是與R-2R結(jié)構(gòu)DAC產(chǎn)生的毛刺脈沖相比就顯得微不足道了。
代碼轉(zhuǎn)換期間,R-2R DAC具有多個(gè)同時(shí)開關(guān)切換。任何同步的缺失都導(dǎo)致短時(shí)間的開關(guān)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。然后這些開關(guān)恢復(fù),在相反的方向上產(chǎn)生一個(gè)單突短時(shí)毛刺脈沖干擾。然后輸出穩(wěn)定。
這些毛刺脈沖的電壓位置是完全可預(yù)計(jì)的。在使用R-2R DAC時(shí),最糟糕的情況是毛刺脈沖誤差出現(xiàn)在所有數(shù)字位切換,同時(shí)仍然用小電壓變化進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)。在這種情況下,用主進(jìn)位轉(zhuǎn)換進(jìn)行DAC代碼變化;從代碼1000…變換為0111…。
檢查真實(shí)DAC運(yùn)行狀態(tài)
現(xiàn)在,我們已經(jīng)定義了針對短時(shí)毛刺脈沖干擾誤差的備選代碼轉(zhuǎn)換,我們可以仔細(xì)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(shí)毛刺脈沖干擾。
在圖6中,DAC8881的短時(shí)毛刺脈沖干擾為37.7 nV-sec,而DAC8562的短時(shí)毛刺脈沖干擾為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(shí)毛刺脈沖干擾性能
毛刺脈沖消失了
如果存在DAC短時(shí)毛刺脈沖干擾問題,用戶可以使用外部組件來減小毛刺脈沖幅度(圖7a),或者完全消除短時(shí)毛刺脈沖干擾能量(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(shí)毛刺脈沖干擾誤差。
DAC之后的RC濾波器可減少毛刺脈沖幅度(圖7a)。短時(shí)毛刺脈沖干擾周期決定了適當(dāng)?shù)腞C比。RC濾波器3dB的頻率比短時(shí)毛刺脈沖干擾頻率提前十倍頻。在選擇組件時(shí)需要確保電阻器的電阻值較低,否則的它將會(huì)與電阻負(fù)載一起產(chǎn)生一個(gè)壓降。由于毛刺脈沖能量從不會(huì)丟失,執(zhí)行單極低通濾波器的代價(jià)就是在穩(wěn)定時(shí)間加長的同時(shí)誤差被分布在更長的時(shí)間段內(nèi)。
第二種方法是使用一個(gè)采樣/保持電容器和放大器(圖7b)。外部開關(guān)和放大器消除了 DAC內(nèi)部開關(guān)產(chǎn)生的毛刺脈沖,從而獲得較小的采樣/保持 (S/H) 開關(guān)瞬態(tài)。在這個(gè)設(shè)計(jì)中,開關(guān)在DAC的整個(gè)主進(jìn)位轉(zhuǎn)換期間保持打開狀態(tài)。一旦轉(zhuǎn)換完成,開關(guān)關(guān)閉,從而在CH采樣電容器上設(shè)定新輸出電壓。當(dāng)DAC準(zhǔn)備升級其輸出時(shí),此電容器在外部開關(guān)打開時(shí)繼續(xù)保持新電壓。這個(gè)解決方案成本較高,也會(huì)占據(jù)更多的板級空間,但能夠在不增加穩(wěn)定時(shí)間的情況下減少/消除毛刺脈沖。
結(jié)論
短時(shí)毛刺脈沖干擾是一個(gè)非常重要的動(dòng)態(tài)非線性的DAC特性,你將會(huì)在器件以工作采樣率運(yùn)行時(shí)遇到這個(gè)問題。但是,這只是冰山一角。影響高速電路的其它因素還有轉(zhuǎn)換率和穩(wěn)定時(shí)間。請隨時(shí)關(guān)注下一篇與這一主題相關(guān)的文章。
特別推薦
- 克服碳化硅制造挑戰(zhàn),助力未來電力電子應(yīng)用
- 了解交流電壓的產(chǎn)生
- 單結(jié)晶體管符號和結(jié)構(gòu)
- 英飛凌推出用于汽車應(yīng)用識(shí)別和認(rèn)證的新型指紋傳感器IC
- Vishay推出負(fù)載電壓達(dá)100 V的業(yè)內(nèi)先進(jìn)的1 Form A固態(tài)繼電器
- 康佳特推出搭載AMD 銳龍嵌入式 8000系列的COM Express緊湊型模塊
- 村田推出3225尺寸車載PoC電感器LQW32FT_8H系列
技術(shù)文章更多>>
- “扒開”超級電容的“外衣”,看看超級電容“超級”在哪兒
- DigiKey 誠邀各位參會(huì)者蒞臨SPS 2024?展會(huì)參觀交流,體驗(yàn)最新自動(dòng)化產(chǎn)品
- 提前圍觀第104屆中國電子展高端元器件展區(qū)
- 高性能碳化硅隔離柵極驅(qū)動(dòng)器如何選型,一文告訴您
- 貿(mào)澤電子新品推薦:2024年第三季度推出將近7000個(gè)新物料
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
偏轉(zhuǎn)線圈
頻率測量儀
頻率器件
頻譜測試儀
平板電腦