在DAC基礎知識：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) 和電阻串數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的各種拓撲結(jié)構(gòu)間是基本一致的。然而,，R-2R和電阻串DAC的短時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以工作采樣率運行時觀察到其動態(tài)不是線性,。造成動態(tài)非線性的原因很多,，但是影響最大的是短時毛刺脈沖干擾、轉(zhuǎn)換率/穩(wěn)定時間和采樣抖動。
用戶可以在DAC以穩(wěn)定采樣率在其輸出范圍內(nèi)運行時觀察短時毛刺脈沖干擾,。圖1顯示的是一個16位R-2R DAC,，DAC8881上的此類現(xiàn)象。
圖1
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這個16位DAC (R-2R) 輸出顯示了7FFFh – 8000h代碼變化時的短時毛刺脈沖干擾的特性,。
到底發(fā)生了什么,？
在理想情況下，DAC的輸出按照預期的方向從一個電壓值移動到下一個電壓值,。但實際情況中,，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)換時都不一致,。某些轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的下沖或過沖特性會比其它轉(zhuǎn)換更加明顯,。而短時毛刺脈沖干擾技術(shù)規(guī)格量化的就是這些特性。DAC短時毛刺脈沖干擾會瞬時輸出錯誤電壓來干擾閉環(huán)系統(tǒng),。
圖2顯示的是具有單突短時毛刺脈沖干擾的DAC的示例,。一個電阻串DAC產(chǎn)生的通常就是這種類型的短時毛刺脈沖干擾。
圖2
單突DAC輸出短時毛刺脈沖干擾特性,。
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)變換為二進制形式,，需要注意的是這兩個十六進制代碼的每個位或者從1變換為0,，或者從0變換為1。
短時毛刺脈沖干擾技術(shù)規(guī)格量化了這個毛刺脈沖現(xiàn)象所具有的能量,，能量單位為納伏秒,，即nV-sec (GI)。這個短時毛刺脈沖干擾的數(shù)量等于曲線下面積的大小,。
單突短時毛刺脈沖干擾是由DAC內(nèi)部開關的不同步造成的,。那是什么引起了這一DAC現(xiàn)象呢？原因就是內(nèi)部DAC開關的同步不總是那么精確,。由于集成開關電容充電或放電,，你能在DAC的輸出上看到這些電荷交換。
R-2R DAC產(chǎn)生兩個區(qū)域的短時毛刺脈沖干擾錯誤（圖3）,。由于出現(xiàn)了雙脈沖誤差,，從負短時毛刺脈沖干擾 (G1) 中減去正短時毛刺脈沖干擾 (G2) 來產(chǎn)生最終的短時毛刺脈沖干擾技術(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短時毛刺脈沖干擾的源頭,，我們必須首先定義主進位轉(zhuǎn)換。在主進位轉(zhuǎn)換點上,，最高有效位 (MSB)從低變高時,， 較低的位從高變?yōu)榈?，反之亦然。其中一個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。
有些人也許會認為這一現(xiàn)象在DAC的輸出表現(xiàn)出巨大的電壓變化時出現(xiàn),。實際上,，這并不是每個DAC編碼機制都會出現(xiàn)的情況。更多細節(jié)請見參考文獻1,。
圖4和圖5顯示了這種類型的毛刺脈沖對一個8位DAC的影響,。對于DAC用戶來說，這一現(xiàn)象在單個最低有效位 (LSB) 步長時出現(xiàn),，或者在一個5V,、8位系統(tǒng)中，在19.5mV步長時出現(xiàn),。
圖4
在這個8位DAC配置中,，此內(nèi)部開關有7個R-2R引腳被接至VREF，有1個R-2R引腳接地,。
圖5
在這個DAC配置中,，此內(nèi)部開關有1個R-2R引腳被接至VREF，有7個R-2R引腳接地,。
在DAC載入代碼時,，會有兩個區(qū)域產(chǎn)生輸出毛刺脈沖：同時觸發(fā)多個開關的開關同步和開關電荷轉(zhuǎn)移。
此電阻串DAC具有一個單開關拓撲,。一個電阻串DAC抽頭連接到巨大電阻串的不同點,。開關網(wǎng)絡不需要主進位上的多個轉(zhuǎn)換，因此,，產(chǎn)生毛刺脈沖的可能進性較低,。開關電荷將會產(chǎn)生一個較小的毛刺脈沖，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具有多個同時開關切換。任何同步的缺失都導致短時間的開關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,。然后這些開關恢復，在相反的方向上產(chǎn)生一個單突短時毛刺脈沖干擾,。然后輸出穩(wěn)定,。
這些毛刺脈沖的電壓位置是完全可預計的。在使用R-2R DAC時,，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,，同時仍然用小電壓變化進行轉(zhuǎn)換時。在這種情況下，用主進位轉(zhuǎn)換進行DAC代碼變化,；從代碼1000…變換為0111…,。
檢查真實DAC運行狀態(tài)
現(xiàn)在，我們已經(jīng)定義了針對短時毛刺脈沖干擾誤差的備選代碼轉(zhuǎn)換,，我們可以仔細觀察一下16位DAC8881(R-2R DAC) 和16位DAC8562（電阻串DAC）的R-2R和電阻串DAC短時毛刺脈沖干擾,。
在圖6中，DAC8881的短時毛刺脈沖干擾為37.7 nV-sec,，而DAC8562的短時毛刺脈沖干擾為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和電阻串短時毛刺脈沖干擾性能
毛刺脈沖消失了
如果存在DAC短時毛刺脈沖干擾問題，用戶可以使用外部組件來減小毛刺脈沖幅度（圖7a）,，或者完全消除短時毛刺脈沖干擾能量（圖7b,。）
用一階低通濾波器 (a) 或采樣/保持解決方案 (b) 來減少短時毛刺脈沖干擾誤差。
DAC之后的RC濾波器可減少毛刺脈沖幅度（圖7a）,。短時毛刺脈沖干擾周期決定了適當?shù)腞C比,。RC濾波器3dB的頻率比短時毛刺脈沖干擾頻率提前十倍頻。在選擇組件時需要確保電阻器的電阻值較低,，否則的它將會與電阻負載一起產(chǎn)生一個壓降,。由于毛刺脈沖能量從不會丟失，執(zhí)行單極低通濾波器的代價就是在穩(wěn)定時間加長的同時誤差被分布在更長的時間段內(nèi),。
第二種方法是使用一個采樣/保持電容器和放大器（圖7b）,。外部開關和放大器消除了DAC內(nèi)部開關產(chǎn)生的毛刺脈沖，從而獲得較小的采樣/保持 (S/H) 開關瞬態(tài),。在這個設計中,，開關在DAC的整個主進位轉(zhuǎn)換期間保持打開狀態(tài)。一旦轉(zhuǎn)換完成,，開關關閉,，從而在CH采樣電容器上設定新輸出電壓。當DAC準備升級其輸出時,，此電容器在外部開關打開時繼續(xù)保持新電壓,。這個解決方案成本較高，也會占據(jù)更多的板級空間,，但能夠在不增加穩(wěn)定時間的情況下減少/消除毛刺脈沖,。
結(jié)論
短時毛刺脈沖干擾是一個非常重要的動態(tài)非線性的DAC特性，你將會在器件以工作采樣率運行時遇到這個問題,。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)定時間。請隨時關注下一篇與這一主題相關的文章,。
參考文獻
1. “數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器所使用的編碼機制,，Jason Albanus，應用期刊 (AN-175),，德州儀器 (TI)
2.“使用RC濾波器實現(xiàn)DAC的‘去毛刺脈沖’