如何准确测量和降低DAC中的毛刺脉冲能量

本应用笔记讨论了DAC中毛刺脉冲能量的原因，并提出了一种降低毛刺脉冲能量的简单解决方案。

介绍

当数字代码输入从低到高或从高到低变化时，所有数模转换器（DAC）在模拟输出端都会表现出毛刺脉冲。这种现象在中间量程的主要进位代码转换期间最为明显，这可能会产生不良的性能。本应用笔记研究了这种毛刺脉冲的原因，并探讨了在低功耗、16位缓冲电压输出、高线性度DAC等DAC等DAC中降低毛刺脉冲的实用方法。

什么原因导致故障能量？

当DAC输出模拟值发生变化时，在DAC输出端观察到动态现象，表现为毛刺，如图1所示。该毛刺能量定义为电压曲线下的面积与示波器上捕获的时间图的关系。该毛刺能量的单位是nV × s。

图1.主要代码转换时的典型DAC毛刺脉冲。

这种毛刺是由于当数字位改变时选择电阻时内部开关之间的传播延迟不匹配而产生的，如图2所示。当输入代码在中量程更改时，这一点最为明显。对于像MAX5134这样的16位DAC，这种代码变化从0X7FFF到0X8000，反之亦然。原因是在二进制格式中，0X7FFF分别为 0111 1111 1111 1111 和 0X8000 1000 000 0000 00000。在数字表示中，它们分别为 32767 和 32768。这表明，在中间量程，包括最高有效位（MSB）在内的所有位都仅通过1个最低有效位（LSB）变化而改变，从而产生主要的进位转换，因为所有内部开关同时开路或闭合。因此，最糟糕的故障是在这个中间尺度转换处产生的。

如果DAC中存在输出缓冲放大器，则输出缓冲放大器也会出现这种毛刺，MAX5134就是这种情况。毛刺是所有DAC固有的，但其幅度可以通过外部电路（如简单的RC低通滤波器）来降低。

图2.典型的R2R DAC架构。

减少毛刺脉冲的方法

图3示波器图显示了输入代码从0变为1时的MAX5134毛刺脉冲。毛刺脉冲几乎察觉不到，因为只有一个内部开关闭合，因为输入从输入数字代码0到1不等。

图3.输入数字代码从0更改为1时的MAX5134毛刺脉冲。

图4示波器图显示了输入代码从0X777变为0X8000时输入代码1LSB时的毛刺脉冲。

正如预测的那样，毛刺脉冲更加明显。

图4.MAX5134输入代码从0X7FFF更改为0X8000时的主要代码转换模拟毛刺脉冲1LSB。

主要代码毛刺脉冲通常是毛刺脉冲下的区域。其计算方法如下： 主代码转换模拟毛刺脉冲 ~ 10mV × 2.5μs ~ 25nV × s，在MAX5134数据资料的电气特性表中有规定。

通过在MAX5134 DAC输出端安装RC低通滤波器（R = 13.8k？， C = 33pF），可以减小这种主要代码毛刺脉冲幅度，如图5所示。

图5.MAX5134主代码转换模拟毛刺脉冲，当输入代码从0x7FFF更改为0x8000时，输出端采用RC低通滤波器（R = 13.8k？，C = 33pF）。

采用RC低通滤波器时，主代码转换模拟毛刺脉冲为~10mV×1.5μs~15nV × s。

通过将MAX5134 DAC输出端的电容增大至100pF，可以进一步减小这种主要代码毛刺脉冲幅度，如图6所示。

图6.MAX5134主代码转换模拟毛刺脉冲，当输入代码从0x7FFF更改为0x8000时，输出端采用RC低通滤波器（R = 13.8k？，C = 100pF）。

采用RC低通滤波器（C = 100pF）时，主码转换模拟毛刺脉冲为~3 × 1μs×8mV/2 = 12nV × s。

当C进一步增加到180pF时，毛刺脉冲仅为7.5nV × s，如图7中的示波器图所示。

图7.将电容值增加到180pF，以进一步降低毛刺脉冲。

采用RC低通滤波器（C = 180pF）时，主码转换模拟毛刺脉冲为3 × 1μs×5mV/2 = 7.5nV × s。

表1总结了各种输出低通滤波器带宽下的毛刺脉冲能量值。随着RC滤波器带宽的减小，毛刺脉冲也随之减小。选择此RC滤波器带宽以满足特定应用确定的所需工作频率。

 

带宽（千赫）	最大毛刺 （nV × 秒）
—	20
349	15
115	12
64	7.5

 

表 1.MAX5134毛刺脉冲能量值与输出低通滤波器带宽的关系

测量精度

毛刺脉冲通常表现出低幅度（mV）。要准确测量此低压信号，请使用泰克 P6243 1GHz FET 探头。它具有1pF电容和1M？的高阻抗。探头还提供与地面的短连接，从而能够更准确地测量这种毛刺脉冲能量。图9所示为所需的MAX5134毛刺脉冲测量设置，以实现精确测量。

图9.MAX5134毛刺脉冲测量，使用泰克P6234探头。

使用其他具有长接地连接的低频探头可能会产生不准确和嘈杂的结果，如图10和图11所示。

图 10.MAX5134毛刺脉冲测量采用标准示波器探头，长鳄鱼夹接地连接到PCB。

图 11.MAX5134毛刺脉冲测量采用与图7相同的设置条件，但采用标准示波器探头，长鳄鱼皮接地夹连接到PCB。

结论

毛刺脉冲能量是所有DAC固有的，但通过简单的低通滤波器，其幅度可以很容易地降低60%以上。由于其幅度为低信号（mV），因此使用与PCB接地较短的适当示波器探头进行精确测量非常重要。

审核编辑：郭婷