基于高分辨率乘法DAC的交流信號處理簡介

簡介
所有數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）都提供與數(shù)字設置增益和所施加基準電壓之積成比例的輸出。乘法DAC與固定基準電壓DAC不同，因為它可以將高分辨率數(shù)字設置增益應用施加到可變帶寬模擬信號上。本文將討論電阻梯乘法DAC及其對交流信號處理應用的適用性。

基本原理
從1974年ADI公司推出世界首款（10 位）CMOS IC乘法DAC 以來，ADI公司就一直是乘法DAC設計與生產(chǎn)的領(lǐng)先者。它們采用一個具有適當帶寬的放大器，利用一個切換式R-2R梯和一個片內(nèi)反饋電阻實現(xiàn)了調(diào)整交流增益或可變直流基準電壓輸入信號增益的簡單方法，從而用DAC取代了典型反相運算放大器級的輸入和反饋電阻（圖 1）。數(shù)字調(diào)整電阻梯和片內(nèi)反饋電阻一起，提供與數(shù)字輸入成比例的增益（D/2n ），使RDAC起到了可變輸入電阻的作用。

圖 1. 反相增益配置

乘法DAC的市場發(fā)展迅速，歷經(jīng)數(shù)代更新，產(chǎn)品的分辨率、精度和速度有了大幅提升，增加了各種數(shù)字存儲功能、串行通信選項，尺寸和成本大大降低并且每個芯片上還可以配置額外的DAC。最新一代的乘法DAC提供理想的構(gòu)建模塊，用于控制可變直流或快速交流電壓信號的增益。

電阻（R-2R）梯用于運算放大器反饋電路，提供數(shù)字控制電流，電流經(jīng) RFB轉(zhuǎn)換成輸出電壓。放大器以低阻抗提供此輸出。基準電壓輸入具有恒定的對地電阻R。圖 2 顯示了該工作原理。圖 2a中，源電流VREF/R轉(zhuǎn)換成輸出電壓。放大器以低阻抗提供此輸出。基準電壓輸入具有恒定的對地電阻R。圖 2 顯示了該工作原理。圖 2a中，源電流IOUT1或?qū)б恋兀ㄒ话惴QIOUT2）。同理，剩余電流的一半由開關(guān)S2 導引……如此類推。如果開關(guān)由一個數(shù)字字D（S1 是MSB）激活，則流經(jīng)RFB （=R）的IOUT1端電流之和為 D × 2–n × VREF/R。此配置的重要優(yōu)勢包括：可最大程度地降低瞬態(tài)，因為開關(guān)在地和虛地之間切換；RFB與梯形電阻片內(nèi)匹配，具備出色的溫度跟蹤性能。

圖 2. a） R-2R梯原理；b） 乘法DAC，VOUT = 0 to −VREF.

數(shù)字字D給出的數(shù)值范圍取決于所用的器件。ADI公司的部分AD545x/AD554x系列乘法DAC的D值范圍（第一象限）如下：

8位 AD5450	0 至 255
10位 AD5451	0 至 1,023
12位 AD5452	0 至 4,095
14位 AD5453	0 至 16,383
16位 AD5543	0 至 65,535

提高增益
對于輸出電壓必須大于VIN的應用，可通過在DAC級后面增加外部放大器來提高增益；或者只需通過衰減反饋電壓在單級中實現(xiàn)，如圖 3 所示。所示近似值對R2||R3RFB。R2 和 R3 應具有相似的溫度系數(shù)，但如果R2||R3 與RFB相比較小，則其無需與DAC的溫度系數(shù)相匹配。

圖 3. 提高乘法 DAC 的增益

正輸出
要產(chǎn)生正電壓輸出，可以使用一個外部反相運算放大器電路來另外反轉(zhuǎn)輸入或輸出。 一些乘法DAC內(nèi)置非專用匹配電阻（具有跟蹤溫度系數(shù)），因此只需額外連接一個運算放大器（圖 4 中的 A2）即可獲得正輸出，這個額外的運算放大器可以是一個雙通道器件內(nèi)的配套運算放大器。

如果要求差分輸出，則需要兩個額外的運算放大器。Circuits from the Lab® CN-0143 查看完整的詳細信息。

圖 4. 乘法DAC, VOUT = 0 to VREF。AD5415、AD5405、AD5546/AD5556、AD5547/AD5557 內(nèi)置此處所示的非專用電阻

圖 5. 單端-差分

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