AN-1510: 8位、10位、12位和14位乘法DAC AD5450/AD5451/AD5452/AD5453的精密双极性配置
电路功能与优势
图1所示电路是一种精密双极性数模转换(DAC)配置，采用 AD5450/AD5451/ AD5452/AD5453精密乘法DAC和AD8066低噪声运算放大器。DAC是核心可编程元件，放大器选择则决定精度或速度性能。对于精密、高精度、低噪声应用，可以用AD8066双通道运算放大器来提供电流到电压（I到V）转换和信号调理。驱动基准电压(VREF)输入需采用ADR01等低噪声基准电压源，利用一个低噪声、低带宽输出放大器则可获得理想的输出噪声性能。该电路的主要优势为：结构简单，基准电压输入阻抗恒定，并且VREF基准电压可以超过DAC电源 电压(VDD)。
电路描述
在许多应用中，可能需要产生全四象限乘法操作或双极性输出电压摆幅，如图1所示。这可利用双通道放大器（由A1和A2放大器表示）及外部电阻器R2、R3、R4和R5来实现。在该电路中，放大器A1执行I至V转换，第二个放大器A2提供2倍的增益。利用基准电压提供的偏置电压使外部放大器偏置，便可实现全四象限乘法操作。ADR01是适合在直流应用中驱动基准输入的基准电压源。ADR01是一款高精度、高稳定性、10 V精密基准电压源。对于需要高精度的转换应用，基准电压源的温漂(TC)和长期漂移是主要考虑因素，因此ADR01是理想选择。
AD5450、AD5451、AD5452和AD5453 DAC基于5 V互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺设计，并采用2.5 V至5.5 V的 VDD电源供电。这些DAC支持高达±10 V的VREF输入范围，如图1所示。输出放大器的电源必须是双极性电源，并具有足够的裕量以适应模拟电压输出范围VOUT。该电路的传递函数显示，当输入码(D)从代码0 ( VOUT = -VREF)递增至中间电平( VOUT = 0 V)，再递增至满量程( VOUT = +VREF)时，就会产生正负输出电压。
VOUT的值可通过下式计算：
其中：
N为DAC的分辨率。
D为载入DAC的数码，并且D = 0至255（8位AD5450）、D = 0至1023（10位AD5451）、D = 0至4095（12位AD5452）或D = 0至16,383（14位AD5453）。
该电路的电流电压转换级中使用了运算放大器。该运算放大器的电源电压限制了DAC可以使用的基准电压。对于精密电流输出DAC，运算放大器的输入偏置电流和失调电压均为重要的选择标准。该电路采用具有超低输入失调电压（典型值为0.4 mV）和输入偏置电流（典型值为2 pA）的AD8066运算放大器。
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的输出电阻与码值相关）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阶跃变化。此输出电压变化与两个代码间所需的输出变化相叠加，产生微分线性误差；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，输入失调电压应为LSB的一小部分。补偿电容C1可防止闭环中出现振铃或不稳定现象，其典型值可以在1 pF至5 pF范围内。
应精心考虑电源和接地回路布局，确保电路达到额定性能。设计印刷电路板(PCB)时，应将模拟部分与数字部分分离，并限制在电路板的一定区域内。如果DAC所在系统中有多个器件要求AGND-DGND连接，则只能在一个点上进行连接。星形接地点尽可能靠近该器件。
这些DAC必须具有足够大的电源旁路电容10 µF，与电源上的0.1 µF电容并联，并且尽可能靠近封装，最好是正对着器件。0.1 µF电容必须具有低等效串联电阻(ESR)和低等效串联电感(ESL)，类似于高频时提供低阻抗接地路径的普通陶瓷型电容，以便处理内部逻辑开关所引起的瞬态电流。
电源处应运用低ESR 1 µF至10 µF钽电容，以便尽可能减少瞬态干扰，并滤除低频纹波。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。
常见变化
OP2177是适合该电流电压转换电路的理想双通道运算放大器。它同样具有低输入失调电压（典型值为15 μV）和超低输入偏置电流（典型值为0.5 nA）特性。ADR02和ADR03也是适用的低噪声基准电压源，分别提供5.0 V和2.5 V（典型值）输出，与ADR01同属一个基准电压源系列。其他合适的低噪声基准电压源有ADR441和ADR445。基准输入电压的大小受所选运算放大器的轨到轨输出电压的限制。
参考电路
Walt Kester，第3章和第7章，《数据转换手册》，ADI公司。2005年。
教程MT-015，基本DAC架构II：二进制DAC，ADI公司。
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。
教程MT-033，电压反馈型运算放大器的增益和带宽，ADI公司。