电流输出 R-2R DAC - 选择和使用高精度数模转换器

电流输出 R-2R DAC

　对于高准确度应用来说，这种架构具有很多优点。基准阻抗是恒定的，可以用非缓冲型基准或一个慢速低精确度运算放大器驱动。因为 A 端和 B 端处于相同的地电位，所以保持匹配的开关阻抗相对容易，甚至在出现电源电压和温度变化时也一样。结果，精确的电流输出 R-2R DAC 具有卓越的 PSRR 和温度漂移性能。

　　与电流输出 R-2R DAC 一起使用的输出放大器需要高开环增益 (在 18 位时 >110 dB) 和低失调电压。A 端和 B 端之间的任何偏移都将产生一种取决于代码的误差电流，该误差电流将以 INL 误差的形式出现。输出缓冲器的输入偏置电流不那么重要，主要以 DAC 输出偏移的形式出现。因为两个输入都始终处于地电位，所以放大器的共模抑制不重要。

　　在 16 位时实现 ±1LSB INL 的电流输出 R-2R DAC 长久以来一直可以普遍购得，凌力尔特公司提供一种新的 18 位 DAC 系列，在 18 位分辨率时实现 ±4ppm 的准确度或 ±1LSB 的最大 INL，在整个温度范围内有保证 。LTC2757 提供并联接口，可立即购得。LTC2756/8 单和双通道 SPI DAC 计划在未来数月内推出。在 18 位时，LTC2757 从 -40℃～+85℃的典型 INL 漂移不到 ±0.2LSB，高达 96dB 的 PSRR 使输出对电源变化不敏感。

　　缓冲型与非缓冲型 DAC 输出

　　有些高度准确的 DAC 在 DAC 内部集成了输出放大器，而其它一些这类放大器则需要一个外部运算放大器。在这两种情况下，大多数 DAC 都提供集成的电平移动和反馈电阻器，以不再需要精确的外部器件。集成输出放大器的主要优点是占板面积小和使用方便。成本通常不是首要因素，因为外部放大器器件通常比 DAC 本身便宜得多。

　　设计师应该意识到，一个集成的输出放大器也许会损害设计灵活性。内部放大器提供的输出摆幅、速度、噪声和功率合起来，不可能对于多种应用来说都是最佳的。例如，一个集成的单电源输出放大器在靠近电源轨时将遭遇准确度下降问题，因此设计师必须提供电平移动差分基准，以利用全部的 DAC 代码范围。如果内部放大器的负反馈输出不可使用，则有可能无法针对大容性负载来补偿输出环路，或增设一个外部缓冲器而不引入第二个反馈环路，对于那些需要一个较宽输出摆幅或较高负载电流的用户来说，他们将会由于增设一个具有与内部放大器环路相串联的独立反馈环路的外部放大级，而导致准确度、噪声和功耗等性能的损失。

　　具有一个外部放大器的非缓冲型 DAC 一般实现最佳性能。多种可购得的器件给设计师提供了自由，可对给定的应用选择一个具有最佳准确度、速度、噪声和功率的解决方案。

　　选择输出放大器

　　当选择与 LTC2757 等准确的电流输出 DAC 一起使用的放大器电路时，失调电压是一个重要的考虑因素。DAC 线性度对放大器失调的敏感性取决于 DAC 的实现方式，制造商应该在数据表中描述清楚。就 LTC2757 而言，±80μV 的失调电压将在 DAC 输出引起约 ±1LSB 的 INL 误差。

　　要实现最佳的 DC 准确度，最简单的解决方案是采用低失调 (<10μV) 自动调零放大器 (如 LTC1150 或 LTC2054)。对于较宽的输出摆幅来说，可以在环路中纳入诸如 LT1010 等第二个缓冲器放大器。LT1012 是一个良好的中间输出放大器，以低功率 (11.4mW) 实现中等速度 (120μs 稳定时间) 和良好的准确度 (±25μV 失调)。

　　对于高速应用来说，一个良好的选择是 LTC1468-2，该器件在 18 位时以 2μs 时间将 10V 阶跃稳定在 ±1LSB 之内。请注意，±75μV 的最大失调将在 DAC 输出端使 INL 劣化高达 ±0.9LSB。对于需要较高准确度的高速应用来说，放大器失调可以用数字电位器来消除。

　　要在高速且未采用消除失调的措施时实现最佳准确度，合成的放大器电路是一个良好的选择。例如，LTC2054 用作积分器来消除放大器失调。在输出转换时，LTC6240 最大限度地降低积分器输入的干扰，以避免扰乱低频通路。请注意，跨 1kΩ 电阻器的任何 DC 电流都以失调电压的形式出现，会引起 INL 误差，因此 LTC6240 具有低输入偏置电流很重要。LTC1360 提供宽的输出摆幅。这样产生的合成放大器以 16μV/√Hz 的噪声密度在 8us 的时间实现稳定。

　　结论

　　尽管很多 DAC 架构都允许用户实现 18 位分辨率和单调性，但是对于在 16 位时需要好于 ±15ppm 的准确度或 ±1LSB INL 的用户来说，阻性梯形或 R-2R DAC 是最佳选择。在电压和电流输出 R-2R DAC 之间进行选择时，设计师应该意识到，每一种架构对电源、基准和输出放大器都施加了不同的要求。选择一个非缓冲型 DAC 并将该 DAC 与一个仔细选择的放大器结合，可以最大限度地提高设计灵活性，并为给定应用提供最佳解决方案。