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為單極DAC賦予雙極性能

上網時間: 2014年06月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:單極DAC  雙極  DAC  電壓參考  運算放大器 

作者:Yuriy Kurtsevoy,Maxim資深策略應用工程師

《桃李滿門》(up the down staircase)是一部以紐約市一所學校為背景的喜劇電影、戲劇與小說。從標題可看到這是一項給予學生的處罰辦法:沿著向下運動的扶梯朝上走。在電扶梯向下運動時,沿著階梯或圖中的電扶梯(圖1)向上跑,對孩子來說總是一種抵擋不住的誘惑。有人可能會說孩子的思維‘不拘泥於方框’或突破常規,也許是這樣吧!很顯然地,他在挑戰預定或規定的流程以及常規思維。這也說明,只要拿出一些勇氣,就能透過非傳統的方法實現目標。這也為工程師帶來了一些深刻的寓義。

up the down staircase——讓工程師從中得到啟發,以非常規方法解決問題。
圖1:小男孩沿著向下電梯逆勢向上走,以非常規方式達到他的目的(也許是要到樓上的玩具部)。或許有些頑皮,但工程師可從中得到啟發,以非常規方法解決問題。

有時在設計類比IC時,設計‘元素’彼此間並非總是完美契合。解決方案似乎異常難以捉摸,例如我們需要利用單極DAC實現雙極輸出。目前業界的發展趨勢是小、低功耗和高性能元件,這幾個條件在決定解決方案時極具優勢。然而,這種低電壓單極DAC不能直接用於高性能、高電壓、高電流或雙極應用;任何附加電路必須不至於降低DAC的性能。在這種情況下,應該嘗試一些不同的方法。本文將介紹如何透過增加一個高電壓運算放大器,使單極DAC實現雙極輸出。

改造‘理想’的單極DAC

圖2所示為簡單的雙極輸出電路,電路包括單極DAC、高精密度電壓參考和高精密度運算放大器。

典型雙極輸出工作電路。
圖2:典型雙極輸出工作電路。

該電路的輸出功能基於對理想運算放大器的兩個常見假設:

運算放大器的輸入電流為0。

穩態條件下,V+輸入電壓等於V-輸入電壓。

根據基爾霍夫電流定律,V-節點的公式為:

(公式1)

從公式1中解出VOUT,並利用VDAC代替V-:

(公式2)

實際上,我們已經導出差分放大器的公式,其中第一項為同相輸入,第二項為反相分量,每一項各具自有增益。

由於DAC輸出VDAC是輸入編碼及參考電壓的函數,公式2可寫為:

(公式3)

如果RFB = RINV,其比值為1,則可進一步將該式簡化為:

(公式4)

所以,雙極作業允許輸出在-VREF至+VREF之間擺動,增益為單位增益。表1所示為根據式4得出的圖2中理想16位元DAC採用2.5V VREF時的理想雙極輸出資料及其對應編碼。

雙極輸出及對應編碼
表1:雙極輸出及對應編碼

為實際應用最佳化‘理想’DAC

這樣看來,我們的單極理想DAC很容易轉換。然而,在我們的現實世界中,沒有什麼是理想的。圖2中的每個元件都具有一定的精密度水準,整合在一起後,會共同影響DAC的最終輸出精密度。必須根據應用要求的精密度,對系統進行特徵分析和校準。所以,即使您可以選擇高精密度16位DAC,也應該特別謹慎地選擇相應的電壓參考、放大器及回饋電阻。哪個元件對精密度的影響最大?哪個參數對雙極應用最關鍵?這些問題既不簡單,也不是無關緊要。經驗不足的工程師可能會驚訝地發現即使簡單的電阻對設計修改也非常關鍵。

選擇正確的電阻並不簡單

對於任何高精密度應用而言,電阻匹配、容限與溫度係數都是最重要的參數,這些參數影響電路誤差、失調與增益誤差,以及整個作業溫度範圍內的增益穩定性。每個參數都需要仔細斟酌。

可供選擇的電阻類型各式各樣都有,從薄膜電阻到金屬箔電阻,容限從1%到0.01%。溫度係數從300ppm/℃到0.2ppm/℃,精密度不同成本也不同。然而,對於設定增益最為重要的參數可能並不能從電阻的資料資料中直接得到:這個電阻是否匹配另一個電阻。對於量產,許多是可經由手動微調匹配電阻的,但一個必要的前提條件是這兩個電阻要處於容限的相反兩端。這是允許在最差條件下安全作業的唯一假設條件。精密匹配電阻對可能會非常昂貴,這取決於它的製造製程。採用半導體製造製程的巨大優勢是採用照相複製製程製造電阻,並在相同基板上同時製造。有兩種方法可實現這一目的。一種方法是採用封裝內包含兩個電阻的產品,另一種方法是用相匹配的多個電阻和一個DAC整合在同一封裝中。

(下一頁繼續:選擇正確的放大器)


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