16位单电源缓冲电压输出数模转换，积分和微分非线性误差小于±1 LSB

电路功能与优势

图1所示电路是一款完整的单电源16位缓冲电压输出DAC，它利用一个CMOS DAC和一个无交越失真的创新放大器将积分和微分非线性误差保持在±1 LSB。大多数轨到轨运算放大器都有交越非线性误差，其在16位系统中可能高达4到5个LSB，而本电路消除了这一误差。

这款业界领先的解决方案非常适合需要紧凑型、单电源、低成本、高线性度16位缓冲电压源的工业过程控制和仪器仪表应用。采用6 V单电源供电时，三个有源器件的总功耗典型值小于25 mW。

图1. ±1 LSB线性16位缓冲电压输出DAC（原理示意图，未显示去耦和所有连接）

电路描述

图1显示该单电源信号链由基准电压源、数模转换器(DAC)和DAC缓冲器组成。DAC的基准电压等于电源电压VDD，以便最大程度地提高动态输出范围和信噪比。这种配置需要一个轨到轨输入和输出缓冲放大器。

DAC为AD5541A，它是一款16位、串行输入、电压输出、分段式R/2R CMOS DAC。DAC的输出电压与基准电压相关，如下式所示：

这样，在中间电平时VOUT为2.5 V，在满量程时VOUT为5 V。

LSB大小为5 V/65,536 = 76.3 uV。

16位时，1 LSB也相当于满量程的0.0015%，或者15 ppm FS。

基准电压源ADR4550为DAC提供高精度、低噪声（2.8 uV p-p，0.1 Hz至10 Hz）且稳定的基准电压。ADR4550使用创新的内核拓扑结构来实现高精度，同时提供业界领先的温度稳定性和噪声性能。低输出电压温度系数（最大值2 ppm/°C）和低长期输出电压漂移也提高了系统在寿命和温度范围内的精度。

ADR4550B的室温初始精度为±0.02%（最大值），相当于16位时的约14 LSB。此初始误差可以通过系统校准消除。基准电压源驱动DAC的REF引脚，并且为DAC和输出缓冲器供电。因此，它必须提供最高3.9 mA的负载电流。ADR4550能以25 ppm/mA负载电流调整率驱动最高10 mA负载。

基准电压源ADR4550应尽可能靠近DAC的REF引脚，使输出走线的长度最短，从而使压降所致误差最小。流经PCB走线的电流会产生IR压降，走线较长时，这种压降可能达到数毫伏或更大，引起相当大的误差。室温下，1英寸长、0.005英寸宽的1盎司铜走线的电阻约为100 mΩ。当负载电流为10 mA时，该走线可能引起1 mV的误差。

输出缓冲器选用ADA4500-2。该器件是一款高精度放大器，最大失调电压为120 μV，失调漂移小于5.5 μV/°C，0.1 Hz至10 Hz噪声为2 μV p-p，最大输入偏置电流为2 pA。其重要特性是轨到轨输入和输出摆幅以及零交越失真，因此适合用作DAC缓冲器。

典型的轨到轨输入放大器采用两个差分对来实现轨到轨输入摆幅。一个差分对在输入共模电压范围的上部活跃，另一个差分对在该范围的下部活跃。这种经典双差分对拓扑结构在一个差分对与另一个差分对交接时会产生交越失真。将该放大器用作DAC缓冲器时，失调电压的变化会引起非线性误差。ADA4500-2利用其输入结构中的集成电荷泵来实现轨到轨输入摆幅，无需第二差分对。因此，它不存在交越失真。在这种单电源系统中使用零交越失真放大器，不仅可在输入共模/输入数字码范围内保持高线性度，而且可提供宽动态输出范围。

DAC的输出阻抗是恒定的（典型值6.25 kΩ），与输出码无关。但是，输出缓冲器应具有高输入阻抗（低输入偏置电流）以使误差最小。ADA4500-2是一款合适的器件，具有高输入阻抗，室温下的输入偏置电流最大值为2 pA，全温度范围内的输入偏置电流最大值为190 pA。最差情况下，输入偏置电流引起的误差为1.2 μV，远小于1 LSB。

AD5541A采用10引脚MSOP或10引脚LFCSP封装。ADR4550采用8引脚SOIC封装，ADA4500-2采用8引脚MSOP或8引脚LFCSP封装。

测量结果表明，AD5541A、ADR4550和ADA4500-2的组合是高精度、低噪声应用的出色解决方案。ADA4500-2无交越失真，可维持DAC的线性度。

积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)测量

积分非线性(INL)误差指实际DAC传递函数与理想传递函数的偏差，用LSB表示。差分非线性(DNL)误差指实际步进大小与1 LSB的理想值之间的差异。该系统解决方案提供16位分辨率，DNL和INL均为±1 LSB。图2和图3显示了该电路的DNL和INL性能。

图2. 微分非线性(DNL)

图3. 积分非线性(INL)

注意，DNL和INL测量排除了从范围任一端开始的200个代码（约15 mV）。这是因为，轨到轨输出级在该区间内会变为非线性。

图4. 采用具有传统轨到轨输入级的运算放大器缓冲器时的DAC非线性误差