ADC/DAC专题学习之七——DAC动态性能

对DAC可能最重要的交流指标是建立时间、毛刺脉冲、失真和无杂波动态范围(SFDR)。

如图2-38所示，DAC的建立时间是从数字代码发生变化到输出落在并保持某些误差带之内需要的时间。对于放大器来说，就很难对建立时间进行比较，这是因为他们的误差带可能随放大器的不同而不同，但是，对于DAC来说，误差带几乎就只在±1或±1/2LSB范围内变化。
DAC的建立时间由4个不同的周期组成：开关时间或死区时间(在这个期间内是数字开关而不是输出发生变化)；偏移时间(在这一期间内输出变化速率受DAC输出的偏移率限制)；恢复时间(当DAC正从它的快速偏移中恢复并可能造成过冲时)；线性建立时间(当DAC输出在一个expther three中接近其最终值时(通常与电流输出DAC的情况一致)，建立时间将在很大程度上与输出步长无关。另一方面，如果偏移时间是指数或近指数方式的)。如果偏移时间与运算放大器的总的重要部分相比较短，步长越大，建立时间就越长。

在理想情况下，如果DAC输出发生变化，它应当从一个值无变化地转移到一个新的值。实际上，这种输出有可能造成过冲、下冲，或两者都出现的情况(见图2-39)。这种在转换期间DAC输出的这种不受控制的动作就是众所周知的毛刺脉冲。它可由两种机制造成：数字转换到模拟输出的容性耦合，以及DAC工作中的某些开关比其它更快而造成的，并产生临时的杂波输出。

容性耦合频繁地产生大致相等的正尖峰和负尖峰(有时也称为双尖峰)，在更长时期内或多或少会被消除。由开关定时差异产生的毛刺脉冲通常是单极性的，非常大，并且更让人担忧。
通过测量毛刺脉冲区域可以提取毛刺脉冲的特征，有时也可以不准确地称为毛刺能量。毛刺能量这个术语是用词不当的，因为毛刺脉冲面积的单位是伏秒(或更有可能是μVs或pVs)。尖峰脉冲面积是正尖峰或负尖峰脉冲面积的最大面积。毛刺脉冲面积是电压相对于时间曲线下的净面积，并且能通过把波形近似为三角波进行估计，计算面积，并把正面积从负面积中减去而得到估计。由代码 0111...111 和 1000...000之间的转换产生的中等量程毛刺通常是最坏的毛刺。
在其它代码转换点上的毛刺脉冲(像1/4和3/4满量程)通常是较少的。图2-40显示了针对快速低毛刺脉冲DAC的中等量程的毛刺脉冲。如上所述，尖峰脉冲和净毛刺面积是采用三角形来估计的。建立时间是从波形离开最初1 LSB误差带直到它进入并保持在最终的1 LSB误差带内的时间而测得的。两个转换区之间的步长为1 LSB。

在像RGB光栅扫描视频显示器驱动器这样的应用中，DAC建立时间是至关重要的，但像SFDR这样的频域指标在通信中通常更重要。
如果我们从数字数据的角度考虑由DAC重构的波形的频谱，我们会发现除了预期的频谱(它将包含一个或更多的频率，取决于重构波形的性质)， 也有噪声和失真乘积。失真可以采用谐波失真、无杂波动态范围(SFDR)、互调失真或所有这些指标来详细说明。当(理论上)纯正弦波被重构时，谐波失真被定义为谐波与基波的比率，并且是最常见的指标。无杂波动态范围是最坏的杂波(通常是但并非始终必需是基波的谐波)与基波的比率。
在直接数字合成(DDS)系统中，当DAC正在重构以数字方式产生的正弦波时，代码相关毛刺脉冲将产生带外和带内谐波。如图2-41所示，中等量程毛刺脉冲在被重构的正弦波(在每个中等量程交汇处)的一个周期内会出现两次，并且因此将产生正弦波的二次谐波。要注意的是正弦波的谐波更高阶谐波，它们将被混叠回奈奎斯特带宽内(从直流到fs/2)，并且无法滤除。

仅仅从毛刺面积指标来预测谐波失真是困难的。像DAC的整体线性度等其它因素也对失真有所贡献。因此，如图2-43所示，习惯上通常在频域内(采用频谱分析仪)以不同时钟率和输出频率对重构DAC进行测量。如图2-44所示为14比特AD9772传输DAC的典型SFDR。时钟速率为65MSPS，输出频率被扫频到25MHz。在ADC的情况中，随着谐波失真的增加，将出现量化噪声，如果时钟频率和DAC输出频率之间的比率是一个整数数字的话。在进行SFDR测量的时候，这些比率应当避免。

DAC SIN (x)/x频率滚降
如图2-45所示，我们可把一个重构的DAC输出设想为一系列矩形脉冲，这些矩形脉冲的宽度等于时钟率的倒数。要注意的是重构信号的振幅在奈奎斯特频率fc/2处下降3.92dB。在很多情况下，SIN (x)/x滤波器反变换能用来补偿这一影响。基波信号的镜像也会按照SIN(x)/x函数规律而衰减。