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实现高 精度数据采集与转换,基准电压源很关键

数字信 号处理可提供经济高效的方式来正确分配信息,例如带宽或容量。考虑一 个由接收路径和发送路径来组成的非常基本的数字收发器设计,在接收路径中,代表某 种信息元素的连续模拟信号在确定的时间点被捕获,此信号 可以表示为随时间变化的电压摆幅,转换步 骤当然也是将电压摆幅转换为数字表示,对所得 到的数字表示或代码可以进行处理,以提取 该信号中的信息内容。根据该 信息的特征可以做出某些判断,例如将 该信息路由到另一个网络节点,或在特 定时间对收发器进行某种操作,发送完全相反的路径,信息需 要传送到实际设备。数模转 换器产生一个模拟输出,将该输 出对应于数字输入信号相对于固定基准值的相对值,其最基 本的形式是由下图所示的关系确定。

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从数字 域到模拟域的转换的关键要素是一系列有限离散值,现在由 一个模拟变量表示,这会导 致量化不确定性。一个基准量,要么电 压要么电流被精确地分割为一些二进制和/或线性分段,数字输 入驱动开关将适当数量的分段连接到输出,数字输 入可以通过不同形式提供,例如晶 体管对晶体管逻辑(TTL)、互补金 属氧化物半导体(CMOS)或低压差分信号(LVDS)。


DAC通常需要配套产品,例如基 准电压源以及对基准输入引脚和DAC输出的缓冲。在精密DAC中,基准电压性能对于DAC整体性能至关重要,因为基 准电压源的误差会反映在DAC的输出中。在任何 混合信号系统中,基准电 压源都是最重要的部分,因为它 的任何变化都会影响系统中的所有其他部分。如果基准电流不稳定,某些基 准电压源会漂移,DAC基准电 流的变化会影响基准电压。


选择基准电压源时,需要考 虑的主要规格有:噪声温 度漂移绝对误差(尽管这 可以通过校准轻松消除)和长期稳定性,可以采 用并联多个基准源之类的技术来减小噪声和时间漂移。DAC常常包 含片内基准电压源和/或片内基准电压缓冲器,如果DAC没有片 内基准电压源或片内基准电压缓冲器,那么可 能需要缓冲输入基准电压引脚,DAC数据手 册会提供输入阻抗规格,以便用户可以计算。使用此值时,基准电 压源能否提供足够的电流,这会变得复杂,因为某些DAC结构(例如电压模式R-2R DAC)的输入阻抗,随着应用于DAC的数字 码的不同而有很大变化,这种情 况下就需要缓冲外部基准电压,DAC的基准 电压缓冲器应为低噪声、低偏置误差放大器,因为基 准电压缓冲器的偏置误差会变为DAC输出端的增益误差。


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如前所述,电压DAC的基准 电压缓冲器应为低噪声、低偏置误差放大器,因为基 准电压缓冲器的偏置误差会变为DAC输出端的增益误差,选择DAC输出端的缓冲器时,可以优 化放大器以适应应用,需要考虑多个因素,要求更 快的建立时间还是更高的带宽?或者要 求更高的精度和更低的噪声?成本、封装、尺寸和 通道数也要考虑。一般而言,DAC开关的建立速度很快,因此,DAC电路的 压摆率和建立时间主要由输出放大器决定,输出缓 冲器一般要求低偏置电流、低偏置 误差和足够的裕量。


在精度 是一项关键要求的应用中,输出缓 冲器还要求低噪声,而在需 要较高速度的应用中,应当选 择具有较快建立时间、较快压 摆率和较高带宽的运算放大器。归根结底,选择何 种放大器取决于应用。


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再看一 款包含片内缓冲的产品示例。这是亚德诺半导体(ADI)公司的AD5754R系列四通道DAC的框图,既有片 内基准电压缓冲、又有片内输出缓冲,内部2.5V基准电 压在片内进行缓冲,因此无需外部缓冲。此处显 示的输出缓冲器附带满量程可调节电路,它提供 多个用户可配置的范围,包括单极性和双极性。AD5754R易于使用,是一款 可立即用于构建系统的单芯片解决方案,消除了许多支持电路,包括这 些实现方案所需的缓冲和增益元件,因此它 是一个完整的单封装解决方案,它提供 可预测的额定精度和性能,可减少系统设计时间,简化PCB的布局。


本文小结:


基准电 压源有很多形式并提供不同的特性,但归根结底,精度和 稳定性是基准电压源最重要的特性,因为其 主要作用是提供一个已知输出电压。相对于 该已知值的变化是误差,基准电 压源规格通常使用下述定义来预测其在某些条件下的不确定性:初始精度、温度漂、长期稳定性。


电压基准源一般用于ADC、DAC和其他 模拟电路精确的参考电压设定,以及传感器的偏置设定、元器件/系统供电或驱动,以及虚拟地设置。基准电 压源只是一个电路或电路元件,可产生稳定、精确直流电压。如果产 品需要采集真实世界的相关信息,例如电池电压或电流、功耗、信号大小或特性、故障识别等,那么必 须将相关信号与一个标准进行比较。






THE END
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