正在為尋找一款具備真正意義上的16位電平設置性能的小封裝" title="小封裝">小封裝、超低功耗" title="低功耗">低功耗的解決方案而煩惱嗎？本文討論的電路針對精密16位數模轉換" title="位數模轉換">位數模轉換應用，使用電壓輸出DAC AD5542A/AD5541A、基準電壓源ADR421BRZ以及用作基準電壓緩沖器的20μA AD8657" title="AD8657">AD8657，提供一款低功耗、小尺寸的解決方案。
電路功能與優勢
基準電壓緩沖對于設計至關重要，因為DAC基準輸入的輸入阻抗與碼高度相關，如果DAC基準電壓源未經充分緩沖，將導致線性誤差。開環增益高達120dB的AD8657已經過驗證和測試，符合本電路應用關于建立時間、失調電壓和低阻抗驅動能力的要求。
圖1所示的器件組合實現了最小的PCB面積和最低的功耗。AD5542A采用3mm×3 mm、16引腳LFCSP或16引腳TSSOP封裝。AD5541A采用3mm×3 mm、10引腳LFCSP或10引腳MSOP封裝。
圖1 精密DAC配置（簡化的原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）
這一器件組合可以提供業界領先的16位分辨率、±1 LSB積分非線性(INL)和±1 LSB微分非線性(DNL)，可以確保單調性，并且具有低功耗、小PCB和高性價比等特性。
電路描述
對于無誤差的理想DAC，輸出電壓與基準電壓相關，如下式所示：
其中D為載入DAC寄存器的十進制數據字，N為DAC的分辨率。
對于2.5 V基準電壓且N = 16，上述公式可簡化為下式：
這樣，在中間電平時VOUT 為1.25 V，在滿量程時VOUT為2.5 V；LSB大小為2.5 V/65,536 = 38.1μV；16位時，1 LSB也相當于滿量程的0.0015%，或者15ppm FS；基準電壓源ADR421（B級）的室溫初始精度為0.04%，相當于16位時的約27 LSB。此初始誤差可以通過系統校準消除。ADR421（B級）的溫度系數典型值為1ppm/°C，最大值為3ppm/°C。
假設使用理想基準電壓源（基準電壓誤差已通過系統校準消除），則AD5542A的最差情況單極性輸出電壓（包括誤差）可通過下式計算：
其中：
VOUT UNI為單極性模式最差情況輸出；D為載入DAC的碼；VREF為施加于DAC的基準電壓（假設無誤差）；VGE為增益誤差，單位伏特(V)。（注意，基準電壓緩沖的失調誤差必須包括在增益誤差中，因此為基準電壓緩沖選用的運算放大器必須具有低輸入失調電壓特性）。VZSE為零電平誤差（失調誤差），單位伏特(V)。（注意，可選輸出緩沖放大器的失調電壓會增加此誤差）。INL為DAC的積分非線性，單位伏特(V)。（注意，可選輸出緩沖放大器的非線性會增加此誤差）。
本電路采用電壓輸出DAC AD5542A，提供真16位INL和DNL。AD5541A/AD5542A的DAC架構為分段R-2R電壓模式DAC。采用這種配置，輸出阻抗與碼無關，而基準電壓源的輸入阻抗則與碼高度相關。因此，基準電壓緩沖的選擇對于碼相關基準電流的處理非常重要，如果DAC基準電壓緩沖不充分，可能會導致線性誤差。選擇配合精密電壓輸出DAC使用的基準電壓緩沖時，運算放大器的開環增益、失調電壓、失調誤差溫度系數和電壓噪聲也是重要的選擇指標。基準電壓電路中的失調誤差會引起DAC輸出端產生增益誤差。
本電路采用驅動/檢測配置（開爾文檢測）的低功耗CMOS運算放大器AD8657作為AD5542A的低阻抗輸出基準電壓緩沖。AD8657具有120 dB的開環增益，是一款精密、18V、50 nV/√Hz運算放大器。其最大失調電壓為350 µV，典型溫漂小于2μV/°C，噪聲為5μV p-p（0.1Hz至10Hz），因而AD8657特別適合那些需要最小誤差源的應用。AD8657的另一半用作輸出放大器。
AD5542A有兩種工作模式：緩沖模式和非緩沖模式。使用何種工作模式由具體應用及其建立時間、負載阻抗、噪聲等要求而定。可以選擇輸出緩沖器來優化直流精度或快速建立時間。DAC的輸出阻抗恒定（典型值6.25 kΩ），且與碼無關，但為了將增益誤差降至最小，輸出放大器的輸入阻抗應盡可能高。輸出放大器還應具有1 MHz或更高的3 dB帶寬。輸出放大器給系統增加了另一個時間常數，因此會延長輸出的建立時間。運算放大器的帶寬越寬，則DAC與放大器組合的有效建立時間越短。
圖1所示的器件組合實現了最小的PCB面積。AD5542A采用3 mm×3 mm、16引腳LFCSP或16引腳TSSOP封裝。AD5541A采用3 mm×3 mm、10引腳LFCSP或10引腳MSOP封裝。
請注意，AD5541A不包含基準電壓和地上的開爾文檢測線路、清零功能以及RFB 和 RINV 電阻；AD8657和ADR421均采用8引腳MSOP封裝。
測量結果表明，AD5542A/AD5541A是高精度、低噪聲電平設置應用的理想選擇。在這一高精度、高性能、低功耗系統中，通過基準電壓源ADR421和基準電壓緩沖AD8657保持直流性能水平。測量直接在VOUT上進行，沒有連接可選的輸出緩沖器。
電源電流測量
總電源電流和個別器件的電源電流利用精密電流表進行測量。
經過測量，該電路的總電源電流為0.97 mA，而數據手冊中的最大值小于1.5 mA。
表1列出了測量結果和數據手冊值。整個系統功耗很低（小于5 mW），但精度非常高。
積分非線性和微分非線性測量
積分非線性(INL)誤差指實際DAC傳遞函數與理想傳遞函數的偏差，用LSB表示。差分非線性(DNL)誤差指實際步進大小與1 LSB的理想值之間的差異。該電路提供16位分辨率，DNL和INL均為±1 LSB。
布局布線考慮
在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。包含本電路的印刷電路板(PCB)應將模擬部分與數字部分分離。如果該電路所在系統中有其它器件要求AGND至DGND連接，則只能在一個點上進行連接。該接地點應盡可能靠近AD5542A/AD5541A。本電路應該采用具有較大面積接地層和電源層的多層PCB。
AD5542A/AD5541A的電源應使用10μF和0.1μF電容進行旁路。這些電容應盡可能靠近該器件，0.1μF電容最好正對著該器件。10μF電容應為鉭珠型或陶瓷型電容。0.1μF電容必須具有低等效串聯電阻(ESR)和低等效串聯電感(ESL)，普通陶瓷型電容通常具有這些特性。針對內部邏輯開關引起的瞬態電流所導致的高頻，該0.1μF電容可提供低阻抗接地路徑。
電源走線應盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應。時鐘和其它快速開關的數字信號應通過數字地將其與電路板上的其它器件屏蔽開。
圖2 電源電流測量
常見變化
針對要求更高精度的應用，應當考慮使用運算放大器 AD8675。在10 V時，它要求約2.3 mA的電源電流。零漂移運算放大器AD8628是另一款適合用作本電路中基準電壓緩沖器的優秀放大器，它提供低失調電壓和超低偏置電流，開環增益為125dB，要求約1mA的電源電流。ADR421(2.5 V)可以用ADR423 (3.00 V)或ADR424(4.096 V)代替，二者均為低噪聲基準電壓源，與ADR421同屬一個基準電壓源系列。超低噪聲基準電壓源ADR441和ADR431也是合適的替代器件，提供2.5 V輸出。AD8661是可選輸出緩沖器的另一個不錯的選擇。它是一款CMOS運算放大器，采用了ADI公司的DigiTrim®專利技術，可實現低失調電壓，并具有低輸入偏置電流和寬信號帶寬等特性，要求約1 mA的電源電流。AD8605 或 AD8655（均采用+2.7 V至+5.5 V單電源供電）也是可以考慮的選擇，不過由于所有軌到軌運算放大器都有的輸出級限制，在近0 V輸出時具有非線性。AD5542A的內置電阻RFB 和RINV，可以配合外部運算放大器提供雙極性電壓輸出。
應用
• 控制/處理
• 電子測試和測量
• 儀表儀器和測量
• 測量和檢測
• 過程控制與工業自動化
