AN-1509:利用AD5450/AD5451/AD5452/AD5453系列 8位/10位/12位/14位DAC实现单极性、精密直流数模转换
电路功能与优势
本文所述电路为一款高性能、单极性的精密数模转换器 (DAC)配置，采用AD5450/AD5451/AD5452/ AD5453系列精密乘法DAC、OP177低噪声高精度运算放大器（运放）以及ADR01精密10.0 V基准电压源。由于运算放大器可决定电路的整体直流精度性能，因此高精度、低噪声运算放大器OP177非常适合于注重性能的应用。该电路还采用高精度、高稳定性、10.0 V精密基准电压源ADR01。对于需要高精度的转换应用，基准电压源的温漂和时漂均为主要考虑因素，因此该器件也是理想选择。
电路描述
该电路采用AD5450/AD5451/AD5452/AD5453系列互补金属氧化物半导体(CMOS)电流输出DAC，四者分别支持8位、10位、12位和14位运行。由于这是一款电流输出DAC，因此需要一个运算放大器在DAC的输出端进行电流电压(I-V)转换。运算放大器的偏置电流和失调电压均为选择精密电流输出DAC的重要标准，所以该电路采用具有超低失调电压(25 μV)和偏置电流(2 nA)的OP177运算放大器。OP177AD5450/AD5451/AD5452/AD5453可以通过配置，轻松提供二象限乘法操作或单极性输出电压摆幅，如图1所示。
AD5450/AD5451/AD5452/AD5453基于5 V CMOS工艺设计，其VDD电源电压的工作范围为2.5 V至5.5 V。该系列DAC的VREF输入量程最高可达10 V，如 图 1中搭配ADR01基准电压源的应用所示。ADR01要求的最小电源电压(VDD1)为12V，且可由为输出放大器供电的同一电源驱动。
当输出放大器以单极性模式连接时，输出电压可由下式得出：
VOUT = −VREF × (D/2N)
其中：
D为载入DAC的数码字
N 是位数（D = 0至255（8位AD5450）；D = 0至1023（10位
AD5451）；D = 0至4095（12位AD5452）；并 且 D = 0至16,383
（14位AD5453））。
运算放大器的输入失调电压也会和电路的可变噪声增益（由于DAC的输出电阻与代码相关）相乘。由于放大器的输入失调电压，两个相邻数字码之间的噪声增益变化会使输出电压产生步进变化。此输出电压变化与两个代码间所需的输出变化相叠加，引起微分线性误差；如果该误差足够大，可能会导致DAC非单调。一般而言，为了确保沿各代码步进时保持单调性，输入失调电压须为LSB的一小部分。
相对精度是衡量数模转换器(DAC)电路精度性能最常用的指标之一，它用于衡量DAC传递函数中各点与经过其端点的直线之间的最大偏差。相对精度需在修正零刻度误差与满刻度误差后进行测量，且通常以最低有效位(LSB)为单位表示。图2显示图1中采用14位DAC AD5453和OP177放大器的电路性能。
为确保电路正常工作，需采用优良的接地、布局及去耦技术。所有电源引脚均需在引脚处直接并联一个低电感（低有效串联电感(ESL)）的0.1 μF陶瓷电容进行去耦。其接地端必须直接连接至大面积接地平面。建议在每个电源进入印刷电路板(PCB)的位置，额外并联一个1 μF至10 μF的电解电容以增强去耦效果。为简洁起见，图1中未显示这些去耦电容。
为优化高频性能，应将电流电压(I-V)转换放大器尽可能靠近DAC放置。AD5450/AD5451/AD5452/AD5453数据手册中提供了评估板所采用的原理图与布局图。
常见变化
OP1177 和 AD8065是另外两款适合该电流电压转换电路的优秀运算放大器，同样提供低失调电压和超低偏置电流特性。
10.0 V输出ADR01基准电压源可以用ADR02或ADR03代替，二者均为低噪声基准电压源，与ADR01同属一个基准电压源系列，分别提供5.0 V和2.5 V输出。超低噪声基准电压源ADR445和ADR441是合适的替代器件，分别提供5.0 V和2.5 V输出。请注意，基准输入电压的大小受所选运算放大器的轨到轨电压限制。
参考文献
Walt Kester，《数据转换手册》，第3和第7章，ADI公司，2005 年。
Walt Kester，教程 MT-015，DAC 基本架构 II：二进DAC，ADI 公司。
教程MT-033，电压反馈型运算放大器的增益和带宽，ADI公司。
Walt Kester、James Bryant 和 Mike Byrne，教程 MT-031，实现数据转换器的接地并解开AGND 和 DGND 的谜团，ADI 公司。