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DAC芯片详解
2023-01-07 10446次

  在电子系统中,数模转换器芯片(DAC)的功能是将数字编码转换成一系列离散的阶梯电压或者电流,是模拟量输出和控制的核心器件。虽然基本功能简单,但市场上的DAC芯片型号繁多,了解其具体参数和内部结构对于DAC芯片的选型、系统的优化是很有必要的。通用型的DAC芯片大多用来输出直流信号,精度较高(12~16bit),速度较低(<10MHz),一般称之为精密DAC。下面我们就结合DAC的指标,内部结构和应用需求,一点点揭开精密DAC的真面目。

  一、 DAC的指标

  用户选择器件时,可能最关心精度、速度等有限几个性能。但这些笼统的性能并非简单的用DAC标称位数和更新速度就可以表示。我们必须把系统的需求“翻译”成正确的DAC指标,才能做出合理的选型。

  DAC的“精度”,一般指DAC的静态指标(噪声归在动态指标中)。而“速度”则对应DAC的动态指标。下面将分别介绍。


  1.1 DAC的静态指标

  静态指标均基于实际DAC与相同位数的理想DAC之间的输出曲线的比较。

  首先我们来看DAC的输出是不是足够“直”,也就是线性度如何。DAC的线性度一般受芯片内部的半导体器件匹配度限制,比如电阻串的匹配,极限在10~12位左右,再高的话需要各种校准技术来处理。不同的DAC内部结构也对线性度有限制,R2R结构的DAC线性度极限能比R-string的更好(第二部分会涉及)。

  下面这两张图,表现出实际的三位DAC与理想的三位DAC输出波形在线性度方面的差异(红色为实际输出曲线):



DAC芯片详解


  DNL是微分线性度,指相邻两个输出电平的差相对于理想值(1LSB)的偏差。datasheet中的DNL代表所有台阶中最大的偏差值。由上图可以看到,如果出现DNL<-1LSB的现象,则DAC的输出肯定是非单调的,也就是说数字编码增加1,输出不增加反而会下降。这一点在很多闭环系统应用中是不能接受的,如果DAC出现非单调的情况,则控制环路无法收敛。这时一般会选择DNL<±1LSB的器件。

  INL是积分线性度,指实际的输出相对理想DAC的输出之间的差异,所以也叫relativeaccuracy,用满量程的百分比或者LSB来表示。理论上,某个编码对应输出的INL就是从第一个编码到这个编码所有的DNL的积分,也印证了“积分”这个名称的含义。Datasheet中的INL(或者relativeaccuracy)代表所有输出值最大的INL。这个指标用来衡量DAC输出的准确度如何,应用比较广。特别是在开环应用中,应当关注INL的指标。

  除了上面两个线性度的参数,DAC的实际输出曲线还存在其它几种非理想特性,如下面两图所示:



DAC芯片详解


  一个无限分辨率的理想DAC输出特性应该是通过原点的一条直线,y=x(这里我们把DAC增益相对理想值归一化成1),但实际的DAC输出特性,用靠近首尾两端的两点拟合一条直线,特性一般是y=ax+b。其中,a代表DAC实际的输出增益,即gain。其相对理想增益的偏差,即gainerror。b代表这条直线整体相对原点向上或者向下偏移的幅度,即offseterror

  但实际DAC在code为0附近,输出电压也很低时,由于内部电路接近饱和(特别是带输出buffer的DAC),会出现一定的非线性。所以DAC会有一个额外的参数来标定code为0时输出的偏差,叫zerocodeerror.

  另外gain,offset在不同温度下也会产生变化,即gainshift,offseterrorshift。如果客户对温度特性很敏感,要特别关注这两个指标。

  特别要提醒的是,由于上面这几项因素的影响,我们不能直接用DAC输出曲线来计算DNL或INL,而必须将gainerror,offseterror计算出来并补偿掉之后,再去计算DNL和INL。如果客户要验证芯片指标,还必须注意数据手册中每一项指标的测试条件。大部分情况下,INL/DNL基于两点法拟合直线的基础上来测量。具体是哪两点,一般在datasheet中都会注明。


  1.2 DAC的动态指标

  下图是一个典型的DAC输出从0附近跳到满摆幅的输出波形:




  输出从0到满摆幅变化(或者特定的两个差异较大的值)的总时间,称为settlingtime。输出主要经历两个阶段,一是slewrate,二是linearsettling。slewrate反映了输出大摆幅下的极限驱动能力,一般决定了输出10%~90%变化的时间,。而linearsettling则主要取决于输出节点的RC常数或者输出buffer的带宽。Settlingtime是用户考虑精密DAC速度的重点参数。




  如果用户对DAC输出变化要求平稳不能有毛刺的话,则需要关注Glitch和Digitalfeedthrough两个指标。

  Glitch主要与DAC核心部分的开关有关。当内部开关从一个点切换到另一个点时,会受到寄生电荷以及开关切换不能理想同步的影响,从而造成输出跳动。跳动的幅度和时间都是我们关注的对象,所以Glitch用nV*S这个二者相乘的单位来表示其能量大小。从其产生原理可见,glitch与具体切换的开关位置有关。Code的高位MSB变化时一般会产生较大的glitch,所以datasheet中普遍定义majorcarry处的glitch。Glitch也和结构有关,R-string的glitch一般比R2R结构的glitch小,原因在第二部分有解释。

  Digitalfeedthrough则代表了模拟输出与数字输入的隔离程度。即使DAC没有被选中进行通信,总线上的数字IO信号或时钟跳动通过内部信号通路或者电源地的耦合也会造成DAC输出的跳动,即为digitalfeedthrough。良好的设计可以保证这个值很小。

  另外,DAC输出noisedensity也是关注的一部分。DAC的噪声来源可以分几部分:VREF(如果有内部基准源的话,flicknoise+热噪声),内部电阻串(电阻热噪声),输出buffer(flicknoise+热噪声)。用户需要计算不同带宽下输出噪声带来的影响。系统设计时需要限制DAC输出信号的带宽来抑制不必要的噪声。一般来说,不希望带内噪声限制DAC的输出精度。


  二、 DAC的结构

  DAC的数据手册中一般会注明内部是何种结构。下面我们会结合DAC的指标,讨论下常见结构DAC的优缺点,可以帮助理解为何不同结构的DAC有不同的指标,在系统上应该注意哪些重点。


  2.1R-string结构

  它采用了一串相等的电阻(即R-string的字面含义),从而获得与参考电压成比例的值。典型结构如下图。




  这种结构的优点显而易见:

  1. 当电阻串输出点从下边的开关切换到上边的开关时,输出电压肯定是增加的。所以这种结构天然决定了其良好的单调特性(DNL不会小于-1),这对系统闭环应用是一个很大的好处。

  2. 一次code变化仅对应两个开关之间的切换,glitch很小,而且与code无关。所以这是一种低glitch结构。缺点是,消耗了大量的电阻和开关器件,受限于半导体电阻器件的匹配度,很难做到高位数。由此可以延伸出分段等改进的方式来减少电阻数量,但校准代价仍然较大,所以有效精度相对较低。

  另外,电阻串总值较大,输出阻抗高,限制了其工作速度。并且电阻串输出阻抗随code在不停变化,需要buffer来提供稳定的输出能力。所以在应用上需要注意输出buffer的驱动能力和稳定性,尤其是负载的电容大小。由于上面的特点,这种结构现在被普遍用于12~16位,DNL<+-1LSB(保证单调性)但对INL要求不是非常高(INL大多在12~14位精度)的DAC中。


 2.2R-2R结构




  如图所示,R-2RDAC只使用两种阻值R和2R的电阻。这种结构的关键在于从任何一个2R电阻的右侧往左看,等效阻抗都是R。可以看到,




  原理上,N位DAC只需要2*N个电阻,因为电阻数量少,生产时可以校准到很高的线性度。

  这种结构一般是电压输出。而且其输出阻抗恒定为R,这使得连接到输出节点的放大器很容易稳定。在使用外部高速buffer时,这种DAC可以达到更高的速度。当然,也有些R-2RDAC自带输出buffer,这种情况下,速度主要由内部的buffer来决定。

  但另一方面,图中的开关必须在宽电压范围(VREF至地)内工作,这给设计和制造都带来难题。在不同code切换时,高低位的多个开关会经历同时导通或者关断的状态,加上开关寄生电荷的影响,输出会出现较大的glitch。

  要特别注意的时,基准电压VREF端的输入阻抗会随着代码而大幅改变。因此使用这种DAC时,基准电压输入必须有较强的驱动能力,有时需要增加buffer,如果芯片内部没有基准电压buffer的话。


  2.3MDAC结构



  上图即为MDAC(乘法DAC)。这种DAC其实是一种电流型的R-2RDAC。其与电压型R-2RDAC的区别在于,VREF连到电阻串的末端,开关则直接连到输出虚地点。每一级电阻支路均将前级流入的电流减半,所以最终输出的总电流为




  从传递特性上看,所有的DAC严格意义上说都是乘法DAC,但MDAC这种结构,基准电压由于不连接内部开关,所以可以在很宽的范围内变化,甚至是双极性、交流电压或者比电源高很多的电压。所以“乘法”DAC特指有这种特性的DAC。MDAC通过内部反馈电阻和外接运放,可实现与Vref成比例的电压输出。由于电阻网络的开关始终处于虚地低电位,因此对开关的设计要求较低。另外,切换开关时可以通过先导通再关断的方式,将其引入的glitch降到最低。另外,与R2RDAC相反,MDAC输出阻抗随code而变化,这对外部运放的环路稳定性有一定的要求。


  2.4不同结构的DAC比较



DAC芯片详解


  三、 3PEAKDAC介绍

  3PEAK推出了12~16bit,1~8通道的一系列精密DAC产品。内部结构则为上面所述R-string结构,内置输出buffer。具有最高16位的单调性(DNL<+-1LSB),12位的相对精度。采用工业级制造工艺和封装,工作温度达-40°~125°。适合在PLC/DCS、伺服控制、模拟量输出、4~20mA变送等领域使用。3PEAKDAC产品经过在工业级领域的数年量产,性能和可靠性已经得到充分证明,是代替传统PWM方式或者价格昂贵的DAC产品的高性价比选择。


  3.13PEAKDAC功能框图:



 3.23PEAKDAC产品系列




  3.33PEAKDAC产品性能列表:




 四、DAC应用实例

  在工业领域,4~20mA是最常见的模拟信号传输方式之一,可靠性高,抗干扰能力强,传输距离远。在下面这个传感器变送器的应用实例中,采用分立的3PEAK的运放和DAC芯片,来放大传感器信号,并转化成4~20mA输出。(绿色为3PEAK可提供的器件种类)




  简单计算可知:



  由(1),(2),(3)可得环路输出电流:




  如果用传统低成本的PWM方式得到高分辨率的模拟输出信号,必然要求MCU的主频很高,而且长时间的滤波导致系统响应速度慢。由于电源的纹波很大,有时需要采用VREF开关方波来代替电源方波的方式来提升精度,设计更加复杂,外围器件成本高。使用合适的外置DAC,在成本增加很少的情况下,可获得性能上的明显提升,并显著降低系统设计难度。有些MCU也会内置DAC,但其DAC一般精度有限,且增加了MCU成本。使用外置DAC可以降低对MCU的功能要求,选择更加灵活,而且可以达到更高的精度,免去在速度和精度上的困难折衷,方便更优化的系统设计。

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