高精度数模转换实现的技巧

电路功能与优势

本电路利用电压输出DACAD5542 、基准电压源ADR421BRZ以及用作基准电压缓冲的自稳零运算放大器AD8628 ，可实现精密数据转换。AD8628基准电压缓冲可提供以前只有昂贵的自稳零或斩波稳定放大器才具有的特性优势。这些零漂移放大器采用ADI公司的电路拓扑结构，将低成本与高精度、低噪声特性融于一体。无需外部电容，而且与大多数斩波稳定放大器相关的数字开关噪声大大降低，因此这种放大器是基准电压缓冲的最佳选择。

本电路可实现精密、低功耗、电压输出数模转换。AD5542有两种工作模式：缓冲模式和非缓冲模式。何种工作模式最佳由具体应用及其建立时间、输入阻抗、噪声等要求而定。可以根据直流精度或快速建立时间要求来选择输出缓冲放大器。如果要求DAC驱动60 kΩ以下的负载，则需要输出缓冲。DAC的输出阻抗恒定，且与数字码无关，但为了将增益误差降至最小，输出放大器的输入阻抗应尽可能高。输出放大器还应具有1 MHz或更高的3 dB带宽。输出放大器给系统增加了另一个时间常数，因此会延长最终输出的建立时间。

放大器的3 dB带宽越高，则DAC与放大器组合的有效建立时间越快。电路中的所有器件均可采用+5 V单电源供电。基准电压源ADR421的输入电压范围为4.5 V至18 V。

图1：精密DAC配置(原理示意图)

电路描述

本电路采用电压输出DAC AD5542，提供16位、高精度性能。AD5541

其中D为载入DAC寄存器的十进制数字字，N为DAC的分辨率。

对于2.5 V基准电压，上述公式可简化为下式：

因此，中间电平码对应的VOUT 为1.25 V，满量程码对应的VOUT为2.5 V。

LSB大小为2.5 V/65,536 = 38.1 μV。

有一个普遍的误解认为自稳零放大器不可靠，因为内部开关动作会导致交调项，并使不需要的谐波未经滤除便进入到输出。以前的自稳零放大器采用自稳零或斩波稳定技术，传统的自稳零技术使自稳零频率时的噪声能量较低，但由于自稳零频带中混叠宽带噪声，因此会造成低频噪声较高。斩波技术使低频噪声较低，但斩波频率时的噪声能量较大。AD8628系列采用已获专利的乒乓式配置，同时使用自稳零和斩波技术，可在斩波和自稳零频率获得较低的低频噪声以及较低的能量，从而使大部分应用的信噪比达到最高，且不需要额外滤波。内部斩波频率相对较高(15 kHz)，因此在仪器仪表和过程控制应用中，可简化对滤波器的有效、无噪声、宽带宽要求。

测量结果显示：在高精度、高性能系统中将AD8628用作基准电压缓冲，可以实现高精度、低噪声以及最低高频交调失真(折合到输出端)性能。

积分非线性(INL)误差指实际DAC传递函数与理想传递函数的偏差，用LSB表示。差分非线性(DNL)误差指实际步进大小与1 LSB的理想值之间的差异。图1所示电路在16位分辨率时的INL误差为±1 LSB，DNL误差为±1 LSB。图2和图3显示了该电路的INL和DNL性能。

图2：积分非线性误差与输入码的关系

图3：差分非线性误差与输入码的关系