现代DAC和DAC缓冲器有助于提升系统性能、简化设计

现在： 随着单电源系统的不断普及，设计师面对一个挑战，即在维持高电压下的性能水平的同时控制功耗。对能用于这种模式的更高分辨率（最高16位）的器件的需求也日益增加。

　　在电压开关模式下使用乘法DAC的显着优势是不会发生信号反相，因此，正基准电压会导致正输出电压。但当用于该模式时，R-2R梯形架构也存在一个缺陷。相对于同一DAC用于电流导引模式的情况，与R-2R梯形电阻串联的N沟道开关的非线性电阻将导致积分线性度（INL）下降。

　　为了克服乘法DAC的不足并同时保持电压开关的优势，人们开发出了新型的高分辨率DAC,比如AD5541A,（如图3所示）。AD5541A采用一个部分分段的R-2R梯形网络和互补开关，在16位分辨率下可实现±1-LSB精度，在？40°C至+125°C的整个额定温度范围内均无需调整，其噪声值为11.8 nV/√Hz,建立时间为1?s.

图3. AD5541A架构

　　性能特点

　　建立时间： 图4和图5比较了乘法DAC在电压模式下的建立时间以及AD5541A的建立时间。当输出上的容性负载最小时，AD5541A的建立时间约为1?s.

图4. 乘法DAC的建立时间

图5. AD5541A的建立时间

　　噪声频谱密度： 表1比较了AD5541A和乘法DAC的噪声频谱密度。AD5541A在10kHz下的性能略占优势，在1 kHz下优势非常明显。

表1. AD5541A与乘法DAC的噪声频谱密度

　　积分非线性： 积分非线性（INL）衡量DAC的理想输出与排除增益和失调误差之后的实际输出之间的最大偏差。与R-2R网络串联的开关可能会影响INL.乘法DAC一般采用NMOS开关。当用于电压开关模式时，NMOS开关的源极连接至基准电压，漏极连接至梯形电阻，栅极由内部逻辑驱动（图6）。

图6. 乘法DAC开关

　　要使电流在NMOS器件中流动， VGS必须大于阈值电压， VT.在电压开关模式下， VGS = VLOGIC – VIN必须大于VT = 0.7 V.

　　乘法DAC的R-2R梯形电阻设计用于将电流平均分配至各个引脚。这就要求总接地电阻（从各引脚顶部看）完全相同。这可以通过调节开关来实现，其中，各个开关的大小与其导通电阻成比例。如果一个引脚的电阻发生变化，则流过该引脚的电流将发生变化，结果导致线性度误差。VIN不能大到会使开关关闭的程度，但必须足以使开关电阻保持低位，因为VIN的变化会影响VGS 从而导致导通电阻发生非线性变化，如下所示：

　　导通电阻的这种变化会使电流失衡，并使线性度下降。因此，乘法DAC上的电源电压不能减少太多。相反，基准电压超过AGND的值不得高于1V,以维持线性度。对于5V电源，当从1.25V基准电压变化至2.5V基准电压时，线性度将开始下降，如图7和图8所示。当电源电压降至3V时，线性度将完全崩溃，如图9所示。

图7. INL of IOUT 乘法DAC在反相模式下的INL,（ VDD = 5 V, VREF = 1.25 V）

图8. INL of IOUT乘法DAC在反相模式下的INL（VDD = 5 V, VREF = 2.5 V）

图9. 乘法DAC在反相模式下的INL（ VDD = 3 V, VREF = 2.5 V）

　　为了减少这种影响，AD5541A采用互补NMOS/PMOS开关，如图10所示。现在，开关的总导通电阻来自NMOS和PMOS开关的共同贡献。如前所示，NMOS开关的栅极电压由内部逻辑控制。内部产生的电压，VGN,设置理想栅极电压，以使NMOS的导通电阻与PMOS的相平衡。开关的大小通过代码调节，以使导通电阻随代码调节。因此，电流将上下调节，精度将得以维持。由于基准输入的阻抗随代码变化，因此，应通过低阻抗源驱动。

图10. 互补NMOS/PMOS开关

　　图11和图12所示为AD5541A在5 V和2.5 V基准电压下的INL性能。

图11. AD5541A的INL（ VDD = 5.5 V, VREF = 5 V）

图12. AD5541A的INL（ VDD = 5.5 V, VREF = 2.5 V）

　　如图13和图14所示，线性度在较宽的基准电压和电源电压下变化极小。DNL行为与INL类似。AD5541A线性度的额定范围以温度和电源电压为基础；基准电压可能从2.5V变化至电源电压。

图13. AD5541A INL与电源电压

图14. AD5541A INL与基准电压

　　AD5541A的更多详情

AD5541A串行输入、单电源、电压输出nanoDAC+数模转换器提供16位分辨率和±0.5LSB典型积分/微分非线性特性。特别适合将乘法DAC用于电压开关模式的应用。在额定温度范围和电源电压范围内均有优异表现，可实现出色的线性度，并可用于需要精密直流性能和快速建立时间的3V至5V系统。采用2V至电源电压范围内的外部基准电压时，无缓冲电压输出可以将60kΩ负载从0V驱动至VREF.该器件可以在1?s内建立至？ LSB,噪声为11.8nV/√Hz,并具有低毛刺特性，非常适合部署在各种医疗、航空航天、通信和工业应用中。其3线式低功耗SPI串行接口能够