【世说芯品】一文入门ADI精密数模转换器系列

精密数模转换器(DAC)是高性能信号处理系统的关键数据转换组件，这些DAC被用于多个细分市场和应用。例如，通信行业的无线与有线应用，工业市场从80系统到大型工业控制器，医疗系统中的患者监测或成像系统等......ADI提供了非常丰富的DAC产品组合，分辨率从8位到20位，在性能、尺寸、功耗和易用等特性上都具有行业领先优势。本文将结合该公司的DAC产品，看在各种应用中高精度DAC如何从组件到信号链级别的各种具有挑战性的偏置和控制应用。

DAC市场非常庞大，仅ADI公司每年为各种应用销售数以百万计的器件。有时候DAC不是用在主信号链中，而是构成支持电路的一部分，它执行外围功能，例如提供控制信号电平设置或校准功能。这些应用对于任何终端系统的成功都是至关重要的，但它们通常不是系统设计人员的关注重点。因此，很难确定在此类系统中DAC用于什么目的，以及何时需要此类产品。

DAC在信号链中可以执行很多功能，例如偏置的生成、失调和增益控制、定位和控制，以及像波形的产生等。下图显示了一些主要的高端最终应用，在这些应用中经常可以找到特定功能的DAC。

精密DAC适合于要求1LSB（最低有效位）或更小误差的高精度、高达20位分辨率的应用；Nano DAC是ADI受欢迎的低压单电源产品系列，功耗低，解决方案尺寸最小，适合于需要高密度且存在空间限制的应用；digiPOT系列产品可以用于简化开环应用或匹配容差，提供易失性和非易失性存储解决方案，支持最多1024位调整应用；直接数字频率合成和阻抗转换器可提供快速采集和高精度调谐分辨率，DDS的目标应用是需要精密或敏捷的频率和相位控制的应用。ADI还有乘法DAC输出和双极性DAC产品系列，可提供快速建立特性和最高+/-10V的宽输出范围。乘法DAC是电流输出DAC，需要缓冲器才能转换为输出电压，此类DAC允许将AC或DC输入信号用作基准电压；工业DAC提供广泛的可编程输出范围，从适合标准电流环路通信的4-20mA到适合执行器控制的±10 V，还能与ADI HART调制解调器相结合，为过程控制和工厂自动化应用提供可靠且精确的解决方案。下面是两个应用实例。

高分辨率数模转换器的常见用途之一是提供可控精密电压。分辨率高达20位、精度达1 ppm且具有合理速率的DAC的应用范围包括医疗MRI系统中的梯度线圈控制、测试和计量中的精密直流源、质谱测定和气谱分析中的精密定点和位置控制以及科学应用中的光束检测。

半导体处理技术、DAC架构设计和快速片内校准技术的发展使稳定、建立时间短的高线性度数模转换器成为可能。这种转换器可提供高优于1 ppm的相对精度、0.05 ppm/°C温度漂移、0.1 ppm p-p噪声、优于1 ppm的长期稳定性和1MHz吞吐量。这类小型单芯片器件保证性能规格，无需校准且简单易用。AD5791及其配套基准电压源和输出缓冲的典型功能框图如下图所示。

AD5791是一款单芯片、20 位、电压输出数模转换器，具有额定的1 LSB积分非线性度(INL)和微分非线性度(DNL)，是单芯片1 ppm 精度的数模转换器（1 LSB@20位为220分之一 = 1 ppm）。该器件设计用于高精密仪器仪表以及测试和计量系统，与其他解决方案相比，其整体性能有较大提升，具有更高的精度、体积更小、成本更低，使以前不具经济可行性的仪器仪表应用成为可能。

下图是采用AD5791数模转换器的一种精密电压源电路示意图，其中以AD5791 (U1)作为精密数控1 ppm电压源，电压范围为±10V，增量为20 μV；以AD8676 (U2)作为基准缓冲；以AD8675 (U3)作为输出缓冲，绝对精度取决于外置10 V基准电压源的选择。

许多现代工业和仪器仪表系统可以接入多个不同电源，最常见的是15V用于模拟电路，3V或5V用于数字逻辑，其中大部分应用要求输出以10 V摆幅驱动外部大负载。一种可能的解决方案是选择能够直接产生所需输出电压的双极性输出DAC。还有一种解决方案是使用低压单电源(LVSS)DAC，将其输出电压放大至所需输出电平。

双极性输出DAC的主要元件如以上功能框图所示。它由精密DAC、基准电压源、基准电压缓冲器、失调和增益调整以及输出放大器组成。集成精密基准电压源以适应16位应用非常困难，但最近的工艺进步和设计技术允许在片内设计和集成具有出色漂移和热特性的基准电压源。热关断、短路保护等故障保护模式，以及上电/关断等状况下的输出控制，是双极性DAC通常会集成的重要特性，可以简化系统设计。DAC提供数字码以相对于基准电压转换输出电压。调整模块提供偏移和调整DAC传递函数的功能。

AD5062是ADI的nanoDAC系列产品，是一款低功耗、单通道16位无缓冲电压输出DAC，采用2.7 V至5.5 V单电源供电。相对精度规格为±1 LSB，保证工作单调性，微分非线性规格为±1 LSB。该器件采用灵活的三线式串行接口，能够以最高30 MHz的时钟速率工作，并与标准SPI、QSPI™、MICROWIRE™、DSP接口标准兼容。AD5062的基准电压通过外部VREF引脚提供。片内提供基准电压缓冲。该器件内置一个上电复位电路，确保DAC输出上电至零电平或中间电平并保持该电平。此外还具有关断特性，在关断模式下，器件在5 V时的功耗通常降至300 nA（典型值），并提供软件可选输出负载。可通过串行接口进入关断模式，该器件的总非调整误差小于0.8 mV。