零交越失真放大器改善DAC系統(tǒng)線性度

　　數(shù)模轉(zhuǎn)換器廣泛用于各種應(yīng)用中，并常常搭配放大器使用，以便對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。 放大器可以提升輸出電流驅(qū)動(dòng)能力、將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出信號(hào)、隔離下游信號(hào)路徑，或者提供互補(bǔ)雙極性輸出電壓。 圖1顯示的是單電源供電的典型信號(hào)鏈，由基準(zhǔn)電壓源、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和緩沖器組成。 為了保持高動(dòng)態(tài)輸出范圍和高信噪比性能，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)通常設(shè)計(jì)為可工作在全擺幅狀態(tài)下，而基準(zhǔn)電壓(VREF)設(shè)為與電源電壓(VDD)相等。 這樣可以最大程度利用數(shù)字碼。 采用單電源時(shí)，DAC和輸出緩沖器電源通常連接到同一條電源線上。 在這種配置下，需要采用軌到軌輸入和輸出放大器。

　　圖1： 單電源供電的典型信號(hào)鏈

　　經(jīng)典非軌到軌輸入放大器的輸入級(jí)采用p型(或n型)差分對(duì)。 p型輸入放大器允許輸入共模電壓到達(dá)并包含低供電軌。 這在接地檢測(cè)應(yīng)用中尤為有用。 另一方面，n型輸入放大器允許輸入電壓范圍從低供電軌以上幾V，到高供電軌。 這類放大器適合需要包含高供電軌的應(yīng)用，比如高端電流檢測(cè)監(jiān)控器。 為了使輸入共模電壓擴(kuò)展到兩條供電軌，軌到軌輸入放大器同時(shí)集成n型和p型輸入級(jí)。

　　軌到軌輸入放大器的主體部分的設(shè)計(jì)采用兩個(gè)并聯(lián)輸入差分對(duì)，分別是n型和互補(bǔ)p型。 輸入共模電壓確定哪個(gè)差分對(duì)開啟并激活。 當(dāng)輸入電壓接近并達(dá)到低供電軌時(shí)，p型差分對(duì)開啟。 對(duì)于高供電軌及以下的輸入電壓，則激活n型差分對(duì)。 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許放大器保持寬動(dòng)態(tài)輸入電壓范圍，并使信號(hào)擺幅最大達(dá)到兩個(gè)供電軌。 然而，這些放大器有一個(gè)缺點(diǎn)，通常稱為“交越失真”， 輸入差分對(duì)常常表現(xiàn)出不同的失調(diào)電壓。 當(dāng)由于輸入共模電壓改變而從一對(duì)切換到另一對(duì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生階躍狀特性，這可以從失調(diào)電壓與輸入共模電壓的關(guān)系圖中看出。 這種交越失真是所有采用雙差分對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的軌到軌輸入放大器的固有特性。 圖2給出了一個(gè)例子。 該例中，放大器電源為+5V和地，交越區(qū)域?yàn)?.4 V輸入共模電壓處。 這類放大器可用于具有軌到軌輸入電壓范圍的應(yīng)用中，但當(dāng)輸入共模電壓處于過渡帶時(shí)會(huì)產(chǎn)生問題。 舉例而言，當(dāng)放大器用作DAC輸出緩沖器的時(shí)候，“交越失真”會(huì)造成非線性。

　　圖2： 典型軌到軌輸入放大器的輸入失調(diào)電壓與輸入共模電壓的關(guān)系

　　圖3顯示使用16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和典型軌到軌輸入/輸出緩沖器時(shí)，電路的積分非線性(INL)誤差。 INL誤差是指實(shí)際轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)與理想傳遞函數(shù)的偏差，用LSB表示。 注意，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸入的掃描范圍為代碼200到代碼216-200，這便將范圍兩端約15 mV(200個(gè)代碼)排除在外，因?yàn)檐壍杰壿敵龇糯笃鞑⒎蔷哂型耆能壍杰壿敵?，并且需要留有部分輸出裕?通常在數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定)。 大致在45000輸入數(shù)字碼處可檢測(cè)到交越失真，這相當(dāng)于3.4 V輸入共模電壓。 顯然，放大器交越失真會(huì)使INL性能下降，影響系統(tǒng)精度。 本例中，對(duì)于一個(gè)16位系統(tǒng)而言，交越非線性高達(dá)4至5 LSB。 很多系統(tǒng)都會(huì)執(zhí)行校準(zhǔn)以便消除初始失調(diào)電壓，但無法通過校準(zhǔn)消除這種非線性。

　　圖3： 16位DAC搭配典型軌到軌輸入緩沖器時(shí)的積分非線性(INL)

　　使用零交越失真放大器可解決交越非線性問題。 這種放大器片內(nèi)集成電荷泵輸入增強(qiáng)電路，從而實(shí)現(xiàn)了軌到軌輸入擺幅。 電荷泵可提升數(shù)V內(nèi)部電源，以便提供輸入級(jí)所需的裕量，從而使放大器無需互補(bǔ)輸入差分對(duì)即可實(shí)現(xiàn)軌到軌輸入擺幅。 因此，它不存在交越失真。 ADI公司的ADA4500-2便是這樣一款零交越失真放大器。圖4顯示該器件的失調(diào)電壓與輸入共模電壓的關(guān)系。 可以看到，失調(diào)電壓在整個(gè)輸入共模電壓范圍內(nèi)都十分穩(wěn)定。

　　圖4： 一款零交越失真放大器的失調(diào)電壓與輸入共模電壓的關(guān)系

　　使用零交越失真放大器可消除數(shù)模轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中的交越非線性。 圖5顯示的是使用同一款16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器搭配ADA4500-2的電路INL。零交越失真特性改善了INL性能，使其低于+/-1 LSB。

　　越失真放大器的替代方案，采用低于其電源電壓(VDD)的基準(zhǔn)電壓(VREF)作為轉(zhuǎn)換器電源也能避免產(chǎn)生交越非線性。 例如，使用5 V電源電壓和2.5 V基準(zhǔn)電壓。 這樣可以確保典型軌到軌輸入放大器的交越區(qū)域不在輸入數(shù)字碼的范圍內(nèi)。 但這種方法的缺陷是輸出范圍減半。 如果信號(hào)電平過低，則可能還需要用一個(gè)外部放大器來放大輸出信號(hào)。 如果系統(tǒng)有多個(gè)電源，那么另一種可行的方法是為放大器提供一個(gè)較高的電源電壓，從而允許使用非軌到軌輸入放大器。 增加電源電壓將為輸入級(jí)提供足夠的裕量。 然而，這種方法的電源效率較低。

　　總之，應(yīng)仔細(xì)選擇適當(dāng)?shù)姆糯笃髯鳛镈AC輸出緩沖器，這點(diǎn)很重要。 您可以犧牲輸出范圍而降低DAC基準(zhǔn)電壓，或者犧牲低功耗性能而增加緩沖器電源電壓。 或者，更好的方法是，您可以使用軌到軌輸入/輸出放大器來最大化輸入和輸出范圍，但請(qǐng)考慮使用零交越失真放大器以避免交越非線性誤差。