設計目標

設計說明

磁共振成像 (MRI) 機 和任意波形發(fā)生器 (AWG) 等應用中使用的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 通常需要高精度電壓基準。這些系統(tǒng)常見問題的原因是 DAC 的基準輸入端存在不需要的串聯(lián)電阻。當 R-2R 電阻梯的輸入電流根據(jù) DAC 輸入代碼變化時，該電阻將在它們兩端產(chǎn)生取決于該代碼的電壓。最終結(jié)果是基準電壓似乎會根據(jù) DAC 代碼而變化，這將導致弓形積分非線性誤差曲線。

為了解決該問題，高精度 DAC 通常為每個基準輸入（V_REFH 和 V_REFL）提供基準強制和檢測引腳。雖然這些引腳本質(zhì)上只是與 R-2R 電阻梯基準輸入節(jié)點的兩個并聯(lián)連接（每個連接都有各自的串聯(lián)電阻），但添加外部單位增益基準緩沖器可以使放大器對節(jié)點上的電壓進行補償。流入運算放大器反相輸入的小偏置電流將在檢測輸入的串聯(lián)電阻上產(chǎn)生最小電壓，而運算放大器的輸出可以提供 R-2R 電阻梯所需的電流。

設計說明

1. 所選的基準僅具有正 5V 輸出，因此需要使用反相放大器來生成 V_REF- 值。電阻器 R₁ 和 R₂ 也會生成從基準輸出到 –5V 電位的電流路徑。該電流由電壓基準提供?？梢酝ㄟ^增大 R₁ 和 R₂ 的值來限制該電流，但代價是電路會產(chǎn)生額外的噪聲。放大器的電流噪聲和電阻器的熱噪聲是導致電路總噪聲的其中兩個因素。
2. 可以通過添加 C_FILT 來降低基準的噪聲，該電容器會過濾內(nèi)部基準的帶隙產(chǎn)生的噪聲?；鶞实妮敵鲞€需要一個具有最小等效串聯(lián)電阻 (ESR) 的電容器 (C_L)?？梢酝ㄟ^延長的跡線在 PCB 上生成此電阻（顯示為 R_ESR）。
3. DAC 的噪聲主要由電阻梯的熱噪聲產(chǎn)生?？梢允褂靡韵鹿絹碛嬎銦嵩肼暎渲?K_b 是玻爾茲曼常數(shù)，T 是以開爾文為單位的溫度，R 是電阻梯的電阻，F(xiàn) 是頻率范圍。
   

   DAC8871 的典型輸出阻抗約為 6.25kΩ，假設在室溫下運行，其熱噪聲可通過以下公式進行計算：

   

設計步驟

1. 根據(jù)分辨率、精度和噪聲性能來選擇 DAC。分辨率可能取決于應用，但在該電路中通常會看到 16 位或更高的分辨率。DAC 輸出中的誤差被視為非線性誤差。非線性誤差表示為積分非線性誤差 (INL) 和微分非線性誤差 (DNL)。假設 DAC 的輸入端具有理想基準，則 R-2R 電阻梯的電阻不精確性將導致系統(tǒng)的 INL 和 DNL 誤差。
2. 根據(jù)應用的精度、熱漂移和噪聲要求來選擇基準。輸出電壓精度通常以百分比表示。熱漂移以 ppm/°C（百萬分率）為單位。電路的噪聲有兩項規(guī)格：低頻噪聲（通常在有限頻域（0.1Hz 到 10Hz）內(nèi)以 V_PEAK-PEAK 指定）和總積分噪聲（以 V_RMS 指定）。
3. 應根據(jù)噪聲性能來選擇用于反轉(zhuǎn)基準電壓的運算放大器。放大器會通過兩種方式來導致系統(tǒng)噪聲，即電壓噪聲和電流噪聲。通過選擇通常具有低電壓噪聲的雙極輸入放大器，可以更大程度地減小電壓噪聲的作用。雙極輸入放大器還具有比 CMOS 輸入放大器更高的電流噪聲，但電流噪聲可以通過電路的電阻器 R₁ 和 R₂ 轉(zhuǎn)換為電壓噪聲。通過更大程度地減小這些組件的電阻，可以更大程度地減小放大器電流噪聲的作用。
4. 應根據(jù)快速穩(wěn)定能力和帶寬來選擇用于驅(qū)動 DAC 的強制和檢測輸入的放大器。當使用新的輸入代碼更新 DAC 時，R-2R 電阻梯中的開關將導致需要基準輸入提供的電流突然變化。這會導致基準輸入上產(chǎn)生瞬態(tài)，該瞬態(tài)也會在 DAC 輸出上傳送。如果基準緩沖放大器能夠快速穩(wěn)定，則會更大程度地減小輸出誤差。此外，這些放大器的電壓噪聲是導致系統(tǒng)總噪聲的因素之一。因此，應選擇雙極或 JFET 輸入放大器。
5. 如果需要電路驅(qū)動負載，請選擇輸出緩沖器。DAC8871 是一款無緩沖器件，這意味著 DAC 的輸出是電阻梯上的一個節(jié)點。該放大器是根據(jù)負載要求進行選擇的，這些要求包括電流輸出能力、容性負載穩(wěn)定性、壓擺率和電壓范圍等。
6. 電容器 C_FILT 和 C_L 是低 ESR 陶瓷型電容器。這些電容器的額定電壓需要與 5V 基準輸出相一致。

基準緩沖器負載瞬態(tài)

當 DAC 更改代碼時，基準緩沖器必須能夠快速提供 R-2R 電阻梯所需的瞬態(tài)電流。鑒于 DAC8871 的架構(gòu)，當 DAC 從零或滿標度代碼轉(zhuǎn)換為中標度時，會出現(xiàn)最大瞬態(tài)電流?？梢允褂?V_REFH 和 V_REFL 輸入之間的電流源來對該瞬變進行仿真。以下仿真顯示了使用 OPA828 和 OPA227 仿真的電流瞬態(tài)期間的差分基準電壓。這表明 OPA828 降低了基準誤差幅度和持續(xù)時間。

基準緩沖器總噪聲

電路產(chǎn)生的總噪聲如以下仿真所示?；鶞?、反相放大器和基準緩沖器均會導致噪聲。請注意，由于反相放大器及其反饋網(wǎng)絡中分立式電阻器的作用，V_REF- 輸入具有更大的噪聲。

設計中采用的器件