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(duì)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(zhǔn)電壓源ADR421BRZ以及用作基準(zhǔn)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(shì)

基準(zhǔn)電壓緩沖對(duì)于設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)镈AC基準(zhǔn)輸入的輸入阻抗與碼高度相關(guān)，如果DAC基準(zhǔn)電壓源未經(jīng)充分緩沖，將導(dǎo)致線性誤差。開(kāi)環(huán)增益高達(dá)120dB的AD8657已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和測(cè)試，符合本電路應(yīng)用關(guān)于建立時(shí)間、失調(diào)電壓和低阻抗驅(qū)動(dòng)能力的要求。

圖1所示的器件組合實(shí)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(jiǎn)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(jià)比等特性。

電路描述

對(duì)于無(wú)誤差的理想DAC，輸出電壓與基準(zhǔn)電壓相關(guān)，如下式所示：



其中D為載入DAC寄存器的十進(jìn)制數(shù)據(jù)字，N為DAC的分辨率。

對(duì)于2.5 V基準(zhǔn)電壓且N = 16，上述公式可簡(jiǎn)化為下式：



這樣，在中間電平時(shí)VOUT 為1.25 V，在滿量程時(shí)VOUT為2.5 V；LSB大小為2.5 V/65,536 = 38.1μV；16位時(shí)，1 LSB也相當(dāng)于滿量程的0.0015%，或者15ppm FS；基準(zhǔn)電壓源ADR421（B級(jí)）的室溫初始精度為0.04%，相當(dāng)于16位時(shí)的約27 LSB。此初始誤差可以通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)消除。ADR421（B級(jí)）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(zhǔn)電壓源（基準(zhǔn)電壓誤差已通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)消除），則AD5542A的最差情況單極性輸出電壓（包括誤差）可通過(guò)下式計(jì)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(zhǔn)電壓（假設(shè)無(wú)誤差）；VGE為增益誤差，單位伏特(V)。（注意，基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓緩沖選用的運(yùn)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(huì)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(huì)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(wú)關(guān)，而基準(zhǔn)電壓源的輸入阻抗則與碼高度相關(guān)。因此，基準(zhǔn)電壓緩沖的選擇對(duì)于碼相關(guān)基準(zhǔn)電流的處理非常重要，如果DAC基準(zhǔn)電壓緩沖不充分，可能會(huì)導(dǎo)致線性誤差。選擇配合精密電壓輸出DAC使用的基準(zhǔn)電壓緩沖時(shí)，運(yùn)算放大器的開(kāi)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(biāo)?；鶞?zhǔn)電壓電路中的失調(diào)誤差會(huì)引起DAC輸出端產(chǎn)生增益誤差。

本電路采用驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)配置（開(kāi)爾文檢測(cè)）的低功耗CMOS運(yùn)算放大器AD8657作為AD5542A的低阻抗輸出基準(zhǔn)電壓緩沖。AD8657具有120 dB的開(kāi)環(huán)增益，是一款精密、18V、50 nV/√Hz運(yùn)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(shí)間、負(fù)載阻抗、噪聲等要求而定?？梢赃x擇輸出緩沖器來(lái)優(yōu)化直流精度或快速建立時(shí)間。DAC的輸出阻抗恒定（典型值6.25 kΩ），且與碼無(wú)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(gè)時(shí)間常數(shù)，因此會(huì)延長(zhǎng)輸出的建立時(shí)間。運(yùn)算放大器的帶寬越寬，則DAC與放大器組合的有效建立時(shí)間越短。

圖1所示的器件組合實(shí)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(qǐng)注意，AD5541A不包含基準(zhǔn)電壓和地上的開(kāi)爾文檢測(cè)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(cè)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(guò)基準(zhǔn)電壓源ADR421和基準(zhǔn)電壓緩沖AD8657保持直流性能水平。測(cè)量直接在VOUT上進(jìn)行，沒(méi)有連接可選的輸出緩沖器。

電源電流測(cè)量

總電源電流和個(gè)別器件的電源電流利用精密電流表進(jìn)行測(cè)量。

經(jīng)過(guò)測(cè)量，該電路的總電源電流為0.97 mA，而數(shù)據(jù)手冊(cè)中的最大值小于1.5 mA。

表1列出了測(cè)量結(jié)果和數(shù)據(jù)手冊(cè)值。整個(gè)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(cè)量

積分非線性(INL)誤差指實(shí)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(shí)際步進(jìn)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(xì)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(gè)點(diǎn)上進(jìn)行連接。該接地點(diǎn)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(jìn)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(duì)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(duì)內(nèi)部邏輯開(kāi)關(guān)引起的瞬態(tài)電流所導(dǎo)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(shí)鐘和其它快速開(kāi)關(guān)的數(shù)字信號(hào)應(yīng)通過(guò)數(shù)字地將其與電路板上的其它器件屏蔽開(kāi)。


圖2 電源電流測(cè)量

常見(jiàn)變化

針對(duì)要求更高精度的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)考慮使用運(yùn)算放大器 AD8675。在10 V時(shí)，它要求約2.3 mA的電源電流。零漂移運(yùn)算放大器AD8628是另一款適合用作本電路中基準(zhǔn)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(kāi)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(zhǔn)電壓源，與ADR421同屬一個(gè)基準(zhǔn)電壓源系列。超低噪聲基準(zhǔn)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(gè)不錯(cuò)的選擇。它是一款CMOS運(yùn)算放大器，采用了ADI公司的DigiTrim®專利技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)低失調(diào)電壓，并具有低輸入偏置電流和寬信號(hào)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(guò)由于所有軌到軌運(yùn)算放大器都有的輸出級(jí)限制，在近0 V輸出時(shí)具有非線性。AD5542A的內(nèi)置電阻RFB 和RINV，可以配合外部運(yùn)算放大器提供雙極性電壓輸出。

應(yīng)用

• 控制/處理

• 電子測(cè)試和測(cè)量

• 儀表儀器和測(cè)量

• 測(cè)量和檢測(cè)

• 過(guò)程控制與工業(yè)自動(dòng)化