在DAC基礎知識：靜態技術規格中，我們探討了靜態技術規格以及它們對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) 和電阻串數模轉換器 (DAC) 的各種拓撲結構間是基本一致的。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不是線性。造成動態非線性的原因很多，但是影響最大的是短時毛刺脈沖干擾、轉換率/穩定時間和采樣抖動。 

       用戶可以在DAC以穩定采樣率在其輸出范圍內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換時都不一致。某些轉換中產生的下沖或過沖特性會比其它轉換更加明顯。而短時毛刺脈沖干擾技術規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系統。

       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，代碼轉換的位置是從7FFFh到8000h。如果你將這些數變換為二進制形式，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規格量化了這個毛刺脈沖現象所具有的能量，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內部開關的不同步造成的。那是什么引起了這一DAC現象呢？原因就是內部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產生兩個區域的短時毛刺脈沖干擾錯誤（圖3）。由于出現了雙脈沖誤差，從負短時毛刺脈沖干擾 (G1) 中減去正短時毛刺脈沖干擾 (G2) 來產生最終的短時毛刺脈沖干擾技術規格。

                                     圖3

                        具有R-2R內部結構的DAC表現出雙突短時毛刺脈沖干擾

        圖3中的代碼轉換仍然是從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換。在主進位轉換點上，最高有效位 (MSB)從低變高時， 較低的位從高變為低，反之亦然。其中一個此類代碼變換示例就是0111b變為1000b，或者是從1000 000b變為0111 1111b的更加明顯的變化。

       有些人也許會認為這一現象在DAC的輸出表現出巨大的電壓變化時出現。實際上，這并不是每個DAC編碼機制都會出現的情況。更多細節請見參考文獻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，這一現象在單個最低有效位 (LSB) 步長時出現，或者在一個5V、8位系統中，在19.5mV步長時出現。

                                   圖4

        在這個8位DAC配置中，此內部開關有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，會有兩個區域產生輸出毛刺脈沖：同時觸發多個開關的開關同步和開關電荷轉移。

       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。開關網絡不需要主進位上的多個轉換，因此，產生毛刺脈沖的可能進性較低。開關電荷將會產生一個較小的毛刺脈沖，但是與R-2R結構DAC產生的毛刺脈沖相比就顯得微不足道了。

       代碼轉換期間，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，在相反的方向上產生一個單突短時毛刺脈沖干擾。然后輸出穩定。  

       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在所有數字位切換，同時仍然用小電壓變化進行轉換時。在這種情況下，用主進位轉換進行DAC代碼變化；從代碼1000…變換為0111…。

檢查真實DAC運行狀態

       現在，我們已經定義了針對短時毛刺脈沖干擾誤差的備選代碼轉換，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的RC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生一個壓降。由于毛刺脈沖能量從不會丟失，執行單極低通濾波器的代價就是在穩定時間加長的同時誤差被分布在更長的時間段內。

       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內部開關產生的毛刺脈沖，從而獲得較小的采樣/保持 (S/H) 開關瞬態。在這個設計中，開關在DAC的整個主進位轉換期間保持打開狀態。一旦轉換完成，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保持新電壓。這個解決方案成本較高，也會占據更多的板級空間，但能夠在不增加穩定時間的情況下減少/消除毛刺脈沖。

結論

       短時毛刺脈沖干擾是一個非常重要的動態非線性的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換率和穩定時間。請隨時關注下一篇與這一主題相關的文章。

參考文獻

1. “數據轉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DAC的‘去毛刺脈沖’