高压R-2R DAC的去毛刺技术

在电源电压超过±5V的R-2R DAC设计中，DAC的主要进位转换期间可能会出现较大的电压毛刺（高达1.5V）。这些毛刺会传播到输出缓冲放大器，并出现在输出端。控制顶部 （VREF+） 和底部 （VREF-） 单刀双掷开关（S0 至 SN）的电平转换器的回转会导致毛刺（图 1）。如果“反相”R-2R梯形图的每个开关都瞬间打开和/或关闭，则DAC输出（或输出缓冲放大器的输入）的毛刺幅度将很小。但是，开关不会瞬时切换;事实上，为了避免两个基准电压缓冲器的输出之间产生撬棍电流，开关采用先开后合连接。相关的时间延迟会在DAC代码转换期间产生非常大的毛刺，从而降低动态性能规格“毛刺脉冲能量”。

图1.简化的DAC电路。

降低毛刺能量的一种方法是在DAC输出和地之间连接一个大电容。R的低通滤波器组合代数转换器C降低毛刺的幅度。但是，为了显着减少毛刺，电容值必须很大。因此，这种方法大大增加了DAC的建立时间。

另一种去毛刺技术是在DAC输出之后使用外部采样保持（T/H）放大器。这种方法的一个优点是可以完全消除DAC输出的毛刺（原则上）。但是，除了T/H放大器之外，还需要外部单次和去毛刺时序控制逻辑。因此，DAC、去毛刺时序控制电路和T/H放大器之间的接口可能相当繁琐。

将 T/H 放大器与 DAC 集成在同一芯片上，可消除繁琐的接口（图 2）。去毛刺T/H放大器紧跟在缓冲DAC输出之后。利用这种技术，开发了一种智能去毛刺电路，在不增加建立时间的情况下显著降低了数模毛刺脉冲能量。

图2.集成 T/H 抗干扰架构。

智能DAC去毛刺电路

由于毛刺在DAC更新后立即发生，并在前几微秒内消失，如果DAC输出和输出缓冲放大器输入在DAC更新时去耦并保持去耦，直到毛刺消失，则毛刺将不会通过输出缓冲放大器。如图2所示，该解决方案使用T/H概念来消除毛刺。在更新DAC之前，开关SW1关闭。采样电容对先前DAC代码的直流电平进行采样。在数字代码转换期间，当DAC更新时，开关断开，电容（CH） 保持先前 DAC 代码的直流电平。发生毛刺时，放大器输出保持在此直流电平。故障消失后，开关再次关闭。与上一节讨论的低通滤波器技术不同，T/H电容的值可以小得多，因为该电容用于保持先前DAC代码的直流电平，而不是降低毛刺幅度。当T/H开关由于电荷共享和注入而打开或关闭时，仍会出现小毛刺，但相关的毛刺幅度要小得多。

实现技术

虽然将DAC输出放大器与T/H组合在直观上看起来很明显，但这在实际实现过程中带来了一些设计挑战。例如，在某些应用中，需要较大的DAC输出摆幅。因此，采样开关（SW1）必须在高压电位下工作。这一要求将T/H实现限制在少数具有所需高击穿电压MOS开关的工艺中。另一个挑战是，输出放大器双极性输入对的基极电流会在开关（SW1）上产生失调电压（IBASE×RSW）。最后，电荷注入和时钟馈通是需要考虑的其他T/H电路规格。

改进的去毛刺电路

当DAC输出之后有一个单位增益缓冲放大器时，采样开关必须具有高击穿电压。但是，如果放大器的增益大于1（n>3），则所需的开关击穿电压将降低n倍。这有助于放宽与DAC和开关相关的工艺要求。图<>显示了该电路的架构。

图3.改进的去毛刺电路。

将 VSW 指定为控制采样开关的开关电压，过程击穿电压 （VBREAKDOWN） 限制了 VSW 的最大值。通过设置 n>Vout （最小值/最大值）/VVBREAKDOWN，可以缓解高压问题。

消除由非零基极电流引起的失调

为了消除采样开关的基极电流，可以使用差分电荷消除，如图4所示。

图4.差分电荷消除。

西 南部2等于软件1，并且两者都看到相同的阻抗。等效电阻等于R，等效电容等于CH.

这种架构提高了电路性能;然而，仍有一些问题需要解决。一、当软件1和软件2均开路，输出放大器没有反馈路径;放大器工作开环。其次，放大器反相输入端的保持电容会导致额外的相移，从而降低运算放大器的相位裕量（PM）。

用于去毛刺电路的零极点架构

只需稍微改变放大器反馈网络，电路就可以解决相移问题。如图5所示，开关SW1和SW2两侧的等效阻抗匹配。该电路有效地在放大器反馈网络中的极点位置增加了一个零点，以补偿增加的相移和图4所示的相裕量减小。

图5.完整的架构。

使用此配置时，V 没有相移外到 V店-.当软件2打开，C1和 C2保持负面反馈。对于极点零点消除，等效反馈网络如图6所示。

图6.反馈网络的等效电路。

从数学上讲，该电路的优点，即极点零点消除，推导如下：

 

测试结果

这种用于电压DAC技术的智能去毛刺电路目前用于MAX5839，这是一款13位、八通道、高压DAC。测试测量表明，数模毛刺能量比市场上其他器件小10倍。下图显示了测试结果。

图7.大进位转换期间的毛刺幅度。

结论

在去毛刺电路中使用T/H放大器技术，我们在主要进位转换期间在DAC输出端实现了非常小的毛刺（通常为10mV至20mV）。通过在RC反馈网络中实现极点零点消除，消除了保持电容引起的额外相移，并保持了输出放大器的稳定性。当采样开关断开时，仍然通过电容C1和C2采用负反馈。此外，基极电流消除消除了由于RSW×Ibase引起的电压失调。最后，通过正确选择输出放大器的增益“n”，我们可以使用工艺约束（否则可能会使设计复杂化）来发挥我们的优势。

审核编辑：郭婷