快速精密DAC与高速DAC：异同

直流精度是高速DAC和快速精密DAC之间的主要区别。通常很难解释这种差异的原因和影响，而且当两种类型的DAC提供相同的分辨率和相同的线性度时。甚至令人失望的是，快速精密DAC在更新速率方面仅触及了高速DAC的下限。本博客介绍并分析了这两种类型的DAC的异同。

事实上，快速精密DAC和高速DAC专为不同的应用而设计。图 1 描述了它们的工作方式。

快速精密DAC旨在提供出色的直流精度，并在代码之间快速、干净地转换。信号的“信息”包含在直流值中，优点在于变化的速度。信号频谱范围从直流到几十MHz;带宽越高，DAC越快。然而，更高的带宽意味着更多的噪声添加到直流信号中，最终会使LSB无法辨别。

高速DAC设计用于在数百MHz宽甚至几GHz的通带内提供出色的频谱清洁度。信号信息包含在频谱中，优点是样本的相干性。信号的频谱被限制在某个频段内，只有该频段的噪声是相关的。只要噪声密度保持不变，带宽就可以增长以容纳更多信号。

图1. 快速精密DAC和高速DAC之间的频谱差异

让我们探讨每种类型的转换器如何面对常见的设计挑战。

噪声

虽然快速精密DAC可用于产生非常干净的谐波信号，但在许多应用中，目标是一次性达到正确的值。如图2所示，DAC在两个代码之间切换的信号具有快速步进，然后缓慢收敛到所需值，称为建立时间。为了充分利用DAC的分辨率，当输出达到稳态时，峰值噪声电平必须小于1 LSB。

图2.快速精密DAC的建立和收敛。

如前所述，精密DAC将直流的所有噪声累积到器件的带宽，其中包括1/f噪声和宽带噪声。更快的DAC需要更多的带宽才能更快地建立，这意味着更多的噪声，使得保持LSB的可辨别性变得更加困难。因此，快速精密DAC试图将总噪声功率降至最低，而高速DAC则试图在目标频带内保持较低的噪声密度，如图1所示。

如果我们假设快速精密DAC中的峰值噪声必须小于1 LSB，则可以得出结论，对于给定分辨率，峰值噪声的速度是有限的。我们无法将噪声降低到本底热噪声以下，因此这会限制信号的带宽。

输出信号与最终值的收敛最终遵循指数方法，而不管输出驱动器具有单极点或共轭极点。这是一个忽略非线性效应的近似值，但了解预期性能的大致概念很有用。基于这种方法，我们可以估计在给定时间内建立到定义精度所需的带宽。结果如图3所示。例如，如果我们希望AD3552R在0 ns内建立至1.100%精度，则需要外部TIA具有3 MHz的10dB带宽。AD3552R是一款双通道、33 MUPS精密DAC，采用外部TIA进行I/V转换。

图3.1 所需的带宽圣对电路进行排序，以达到给定的建立时间，并具有指定的精度。

带宽越大意味着噪声越多，而且当收集的噪声远远超过3 dB截止频率时。如果我们要求该噪声的峰值必须小于1 LSB，我们可以计算出在给定的建立时间和DAC分辨率下我们可以承受的噪声密度。这是使LSB可识别的要求。图4中的曲线假设没有1/f噪声，等效噪声带宽（ENBW）对应于一阶电路。在 0V 范围内，建立时间精度为 1.5%。

图4.DAC的最大噪声密度，以便在给定分辨率下可辨别LSB。

图4中的水平线表示1 kΩ电阻在25 °C（即4.1 nV/√Hz）时的热噪声密度。使用具有精密DAC的低阻值负载很困难，因为电压跨度很高，这意味着功率很大。

根据图4中的曲线，在16 ns内建立至0.1%的100位DAC需要低于5.6 nV/√Hz的噪声密度，才能在5V范围内识别LSB。相反，如果DAC的噪声密度为10 nV/√Hz，则为了保持LSB的可辨别性，它只能提供300 ns的建立时间。

图5显示了一个带宽过大的DAC示例。从代码更改为代码足够快，但总数会导致 LSB 步骤部分重叠。

图5.在带宽过高的DAC中，宽带噪声会导致LSB阶跃部分重叠。

对于高速DAC，情况有所不同。这些器件设计用于在相干时间内产生带限和周期性的信号。多音调制对每个载波带宽内的噪声很敏感，因此总噪声无关紧要。解调发生在一定时间内，因此在此期间对信号和噪声进行平均，因此信号的点值无关紧要。调制信号通常是通带，甚至看不到1/f噪声。总之，高速DAC更关心噪声密度，而不是总噪声功率。

建立时间

查看速度/精度权衡的另一种方法是，在给定带宽下，信号在1 LSB以内所需的时间。具有10 MHz带宽的DAC的指数收敛误差如图6所示。

如果具有10 MHz带宽的DAC产生满量程步进，则90 ns后的精度仅在1 LSB以内8.如果我们希望信号精确到1 LSB16，我们必须等待 180 ns。如果我们希望DAC收敛得更快，我们需要更多的带宽，这意味着更多的噪声。在某些时候，增加带宽是没有回报的，因为噪声使LSB无法辨别，从而导致有效位数的减少。

图6.信号在给定分辨率的1 LSB以内所需的时间，带宽为10 MHz，不包括噪声。

通常不需要高速DAC来产生全阶跃响应，因此数据手册中通常不提供此数据。它们主要用于多音调制，其中信号具有高斯幅度分布和有限的频谱，因此不需要满量程转换。高带宽允许在小信号中快速建立，但满量程上升时间可能相当大。表1显示了AD3552R和AD9726之间的比较，AD9726是少数引用这些数据的高速DAC之一。AD16是一款400位、<> MHz宽带DAC。

 

	AD3552R	AD9726	单位
更新速率	33	400	MUPS
小信号建立时间	65	10.5	ns
上升时间 （10%-90%）	25	500	ns

 

表 1.上升时间和建立时间比较

准确性

精密DAC旨在驱动电路，其中信号的直流值转换为现实世界中的绝对电平或定位。此外，我们可以要求DAC快速，但最终必须保持精确。这在开环应用中尤其重要，因为开环应用中没有反馈来执行校正或没有时间进行此类操作。作为一次性应用，DAC必须以绝对精度产生首次正确信号。

另一方面，高速DAC利用解调过程，其中信号不是在点上，而是在相干时间内。因此，DAC需要产生具有良好精度的信号，但不一定是绝对的。在解调过程中，目标频带外的噪声将被忽略。信号在时域中可能看起来很嘈杂，但在频域中仍然具有合理的噪声水平。

图 7 显示了这两个概念的比较。

图7.快速精密DAC和高速DAC的精度要求。

结论

在处理快速精密DAC时，需要在速度和精度之间或带宽和噪声之间进行权衡。建立速度越快意味着带宽越大，从而将更多的噪声传输到输出信号中，最终使LSB无法辨别。

此外，快速精密DAC需要在单次中再现准确的信号，而高速DAC产生在较长时间内进行评估的信号。前者需要低总噪声和满量程捷变性，而后者需要低噪声密度和良好的小信号带宽。

审核编辑：郭婷