正在為尋找一款具備真正意義上的16位電平設(shè)置性能的小封裝" title="小封裝">小封裝,、超低功耗" title="低功耗">低功耗的解決方案而煩惱嗎？本文討論的電路針對精密16位數(shù)模轉(zhuǎn)換" title="位數(shù)模轉(zhuǎn)換">位數(shù)模轉(zhuǎn)換應(yīng)用,，使用電壓輸出DAC AD5542A/AD5541A,、基準電壓源ADR421BRZ以及用作基準電壓緩沖器的20μA AD8657" title="AD8657">AD8657，提供一款低功耗,、小尺寸的解決方案,。
電路功能與優(yōu)勢
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,，將導致線性誤差。開環(huán)增益高達120dB的AD8657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,。
圖1所示的器件組合實現(xiàn)了最小的PCB面積和最低的功耗。AD5542A采用3mm×3 mm,、16引腳LFCSP或16引腳TSSOP封裝,。AD5541A采用3mm×3 mm、10引腳LFCSP或10引腳MSOP封裝,。
圖1 精密DAC配置（簡化的原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）
這一器件組合可以提供業(yè)界領(lǐng)先的16位分辨率,、±1 LSB積分非線性(INL)和±1 LSB微分非線性(DNL)，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。
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VOUT為2.5 V,；LSB大小為2.5 V/65,536 = 38.1μV；16位時,，1 LSB也相當于滿量程的0.0015%,，或者15ppm FS；基準電壓源ADR421（B級）的室溫初始精度為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（B級）的溫度系數(shù)典型值為1ppm/°C,，最大值為3ppm/°C,。
假設(shè)使用理想基準電壓源（基準電壓誤差已通過系統(tǒng)校準消除），則AD5542A的最差情況單極性輸出電壓（包括誤差）可通過下式計算：
其中：
VOUT UNI為單極性模式最差情況輸出,；D為載入DAC的碼；VREF為施加于DAC的基準電壓（假設(shè)無誤差）,；VGE為增益誤差,，單位伏特(V)。（注意,，基準電壓緩沖的失調(diào)誤差必須包括在增益誤差中,，因此為基準電壓緩沖選用的運算放大器必須具有低輸入失調(diào)電壓特性）。VZSE為零電平誤差（失調(diào)誤差）,，單位伏特(V),。（注意,，可選輸出緩沖放大器的失調(diào)電壓會增加此誤差）。INL為DAC的積分非線性,，單位伏特(V),。（注意，可選輸出緩沖放大器的非線性會增加此誤差）,。
本電路采用電壓輸出DAC AD5542A,，提供真16位INL和DNL。AD5541A/AD5542A的DAC架構(gòu)為分段R-2R電壓模式DAC,。采用這種配置,，輸出阻抗與碼無關(guān)，而基準電壓源的輸入阻抗則與碼高度相關(guān),。因此,，基準電壓緩沖的選擇對于碼相關(guān)基準電流的處理非常重要，如果DAC基準電壓緩沖不充分,，可能會導致線性誤差,。選擇配合精密電壓輸出DAC使用的基準電壓緩沖時，運算放大器的開環(huán)增益,、失調(diào)電壓,、失調(diào)誤差溫度系數(shù)和電壓噪聲也是重要的選擇指標?；鶞孰妷弘娐分械氖д{(diào)誤差會引起DAC輸出端產(chǎn)生增益誤差,。
本電路采用驅(qū)動/檢測配置（開爾文檢測）的低功耗CMOS運算放大器AD8657作為AD5542A的低阻抗輸出基準電壓緩沖。AD8657具有120 dB的開環(huán)增益,，是一款精密,、18V、50 nV/√Hz運算放大器,。其最大失調(diào)電壓為350 µV,，典型溫漂小于2μV/°C，噪聲為5μV p-p（0.1Hz至10Hz）,，因而AD8657特別適合那些需要最小誤差源的應(yīng)用,。AD8657的另一半用作輸出放大器。
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)化直流精度或快速建立時間。DAC的輸出阻抗恒定（典型值6.25 kΩ），且與碼無關(guān),，但為了將增益誤差降至最小,，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)了最小的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,；AD8657和ADR421均采用8引腳MSOP封裝,。
測量結(jié)果表明，AD5542A/AD5541A是高精度,、低噪聲電平設(shè)置應(yīng)用的理想選擇,。在這一高精度、高性能,、低功耗系統(tǒng)中,，通過基準電壓源ADR421和基準電壓緩沖AD8657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,。
電源電流測量
總電源電流和個別器件的電源電流利用精密電流表進行測量。
經(jīng)過測量,，該電路的總電源電流為0.97 mA,，而數(shù)據(jù)手冊中的最大值小于1.5 mA。
表1列出了測量結(jié)果和數(shù)據(jù)手冊值,。整個系統(tǒng)功耗很低（小于5 mW）,，但精度非常高。
積分非線性和微分非線性測量
積分非線性(INL)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(DNL)誤差指實際步進大小與1 LSB的理想值之間的差異。該電路提供16位分辨率,，DNL和INL均為±1 LSB。
布局布線考慮
在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局,。包含本電路的印刷電路板(PCB)應(yīng)將模擬部分與數(shù)字部分分離,。如果該電路所在系統(tǒng)中有其它器件要求AGND至DGND連接，則只能在一個點上進行連接,。該接地點應(yīng)盡可能靠近AD5542A/AD5541A,。本電路應(yīng)該采用具有較大面積接地層和電源層的多層PCB。
AD5542A/AD5541A的電源應(yīng)使用10μF和0.1μF電容進行旁路,。這些電容應(yīng)盡可能靠近該器件,，0.1μF電容最好正對著該器件。10μF電容應(yīng)為鉭珠型或陶瓷型電容,。0.1μF電容必須具有低等效串聯(lián)電阻(ESR)和低等效串聯(lián)電感(ESL),，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)電流所導致的高頻,，該0.1μF電容可提供低阻抗接地路徑,。
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。
圖2 電源電流測量
常見變化
針對要求更高精度的應(yīng)用,，應(yīng)當考慮使用運算放大器 AD8675,。在10 V時，它要求約2.3 mA的電源電流,。零漂移運算放大器AD8628是另一款適合用作本電路中基準電壓緩沖器的優(yōu)秀放大器,，它提供低失調(diào)電壓和超低偏置電流，開環(huán)增益為125dB,，要求約1mA的電源電流,。ADR421(2.5 V)可以用ADR423 (3.00 V)或ADR424(4.096 V)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®專利技術(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，要求約1 mA的電源電流,。AD8605 或 AD8655（均采用+2.7 V至+5.5 V單電源供電）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 和RINV,，可以配合外部運算放大器提供雙極性電壓輸出,。
應(yīng)用
• 控制/處理
• 電子測試和測量
• 儀表儀器和測量
• 測量和檢測
• 過程控制與工業(yè)自動化
