令人困扰的DAC输出短时毛刺脉冲干扰

在DAC基础知识：静态技术规格中，我们探讨了静态技术规格以及它们对DC的偏移、增益和线性等特性的影响。这些特性在平衡双电阻 (R-2R) 和电阻串数模转换器 (DAC) 的各种拓扑结构间是基本一致的。然而，R-2R和电阻串DAC的短时毛刺脉冲干扰方面的表现却有着显著的不同。

我们可以在DAC以工作采样率运行时观察到其动态不是线性。造成动态非线性的原因很多，但是影响最大的是短时毛刺脉冲干扰、转换率/稳定时间和采样抖动。

用户可以在DAC以稳定采样率在其输出范围内运行时观察短时毛刺脉冲干扰。图1显示的是一个16位R-2R DAC，DAC8881上的此类现象。

图1

这个16位DAC (R-2R) 输出显示了7FFFh – 8000h代码变化时的短时毛刺脉冲干扰的特性。

到底发生了什么？
在理想情况下，DAC的输出按照预期的方向从一个电压值移动到下一个电压值。但实际情况中，DAC电路在某些代码到代码转换的过程中具有下冲或过冲特性。

这一特性在每一次代码到代码转换时都不一致。某些转换中产生的下冲或过冲特性会比其它转换更加明显。而短时毛刺脉冲干扰技术规格量化的就是这些特性。DAC短时毛刺脉冲干扰会瞬时输出错误电压来干扰闭环系统。

图2显示的是具有单突短时毛刺脉冲干扰的DAC的示例。一个电阻串DAC产生的通常就是这种类型的短时毛刺脉冲干扰。

图2

单突DAC输出短时毛刺脉冲干扰特性。

在图2中，代码转换的位置是从7FFFh到8000h。如果你将这些数变换为二进制形式，需要注意的是这两个十六进制代码的每个位或者从1变换为0，或者从0变换为1。

短时毛刺脉冲干扰技术规格量化了这个毛刺脉冲现象所具有的能量，能量单位为纳伏秒，即nV-sec (GI)。这个短时毛刺脉冲干扰的数量等于曲线下面积的大小。

单突短时毛刺脉冲干扰是由DAC内部开关的不同步造成的。那是什么引起了这一DAC现象呢？原因就是内部DAC开关的同步不总是那么精确。由于集成开关电容充电或放电，你能在DAC的输出上看到这些电荷交换。

R-2R DAC产生两个区域的短时毛刺脉冲干扰错误（图3）。由于出现了双脉冲误差，从负短时毛刺脉冲干扰 (G1) 中减去正短时毛刺脉冲干扰 (G2) 来产生最终的短时毛刺脉冲干扰技术规格。

图3

具有R-2R内部结构的DAC表现出双突短时毛刺脉冲干扰

图3中的代码转换仍然是从7FFFh至8000h。

为了理解DAC短时毛刺脉冲干扰的源头，我们必须首先定义主进位转换。在主进位转换点上，最高有效位 (MSB)从低变高时， 较低的位从高变为低，反之亦然。其中一个此类代码变换示例就是0111b变为1000b，或者是从1000 000b变为0111 1111b的更加明显的变化。

有些人也许会认为这一现象在DAC的输出表现出巨大的电压变化时出现。实际上，这并不是每个DAC编码机制都会出现的情况。更多细节请见参考文献1。

图4和图5显示了这种类型的毛刺脉冲对一个8位DAC的影响。对于DAC用户来说，这一现象在单个最低有效位 (LSB) 步长时出现，或者在一个5V、8位系统中，在19.5mV步长时出现。

图4

在这个8位DAC配置中，此内部开关有7个R-2R引脚被接至VREF，有1个R-2R引脚接地。

图5

在这个DAC配置中，此内部开关有1个R-2R引脚被接至VREF，有7个R-2R引脚接地。

在DAC载入代码时，会有两个区域产生输出毛刺脉冲：同时触发多个开关的开关同步和开关电荷转移。

此电阻串DAC具有一个单开关拓扑。一个电阻串DAC抽头连接到巨大电阻串的不同点。开关网络不需要主进位上的多个转换，因此，产生毛刺脉冲的可能进性较低。开关电荷将会产生一个较小的毛刺脉冲，但是与R-2R结构DAC产生的毛刺脉冲相比就显得微不足道了。

代码转换期间，R-2R DAC具有多个同时开关切换。任何同步的缺失都导致短时间的开关全为高电平或全为低电平，从而使得DAC的电压输出迁移至电压轨。然后这些开关恢复，在相反的方向上产生一个单突短时毛刺脉冲干扰。然后输出稳定。

这些毛刺脉冲的电压位置是完全可预计的。在使用R-2R DAC时，最糟糕的情况是毛刺脉冲误差出现在所有数字位切换，同时仍然用小电压变化进行转换时。在这种情况下，用主进位转换进行DAC代码变化；从代码1000…变换为0111…。

检查真实DAC运行状态
现在，我们已经定义了针对短时毛刺脉冲干扰误差的备选代码转换，我们可以仔细观察一下16位DAC8881(R-2R DAC) 和16位DAC8562（电阻串DAC）的R-2R和电阻串DAC短时毛刺脉冲干扰。

在图6中，DAC8881的短时毛刺脉冲干扰为37.7 nV-sec，而DAC8562的短时毛刺脉冲干扰为0.1 nV-sec。在这两张图中，x轴的刻度为500ns/div，而y轴的刻度为50mV/