16位DAC是高直流精度和精密域轉(zhuǎn)換最常用的組件之一，但令人驚訝的是，很少有DAC能夠完全達(dá)到16位(0.0015%)的精度。即使被描述為“高精度”，有些DAC的誤差和積分非線性(INL)也顯著超過(guò)1LSB。相比之下，本文所介紹的基于TBH PWM的設(shè)計(jì)本身就具有16位直流精度和積分線性度，其精度僅受電壓參考質(zhì)量的限制。而且，它無(wú)需使用昂貴、復(fù)雜的高精度元件(例如，無(wú)需使用0.0015%的電阻)。
圖1顯示了其底層的非線性校正Take-Back-Half(TBH)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖1：依賴于兩個(gè)微分關(guān)系，可以有效地抵消掉(收回)積分非線性并抑制紋波。
對(duì)于小于或等于穩(wěn)定時(shí)間倒數(shù)=1/Ts(包括DC)的信號(hào)頻率Xc>>R且Z=2(Xavg–Yavg/2)。
對(duì)于大于或等于Fpwm的頻率，Xc< <R且Z=X< span>ripple – Yripple。 </R且Z=X<>
由于只有一個(gè)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)Y，而兩個(gè)并聯(lián)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)X，因此Y處由開(kāi)關(guān)負(fù)載引起的INL是X處的兩倍。因此，由于Z=2(Xavg–Yavg/2)，A1的差分RC網(wǎng)絡(luò)會(huì)主動(dòng)抵消(收回)INL誤差分量，從而(理論上)實(shí)現(xiàn)零凈INL。
圖2展示了這些元件如何在一個(gè)穩(wěn)健的16位DAC電路設(shè)計(jì)中協(xié)同工作。其工作原理如下。
圖2：TBH原理將兩個(gè)8位PWM信號(hào)在一個(gè)16位DAC中相加，結(jié)果得到Vref(MSBY+LSBY/256)/256。標(biāo)有星號(hào)的電阻精度為0.25%。假設(shè)PWM頻率(Fpwm)約為10kHz。
兩個(gè)重復(fù)頻率約為10kHz的8位分辨率PWM信號(hào)用作輸入，一個(gè)用于設(shè)置的最高有效字節(jié)(MSBY)，另一個(gè)用于最低有效字節(jié)(LSBY)。MSBY信號(hào)驅(qū)動(dòng)R2和R3，而LSBY信號(hào)驅(qū)動(dòng)R4、R5和R7網(wǎng)絡(luò)。求和網(wǎng)絡(luò)的比例為(R4+R5+4R7)/(R2+R3)=256:1，可適應(yīng)PWM信號(hào)的相對(duì)有效位。此外，它僅需8位(2500ppm)電阻匹配即可實(shí)現(xiàn)真正的16位(15ppm)轉(zhuǎn)換精度和微分非線性(DNL)。
R6C3抑制了A1輸出上持續(xù)時(shí)間為納秒的小紋波尖峰，這種尖峰是由U1開(kāi)關(guān)的超快速輸出轉(zhuǎn)換泄漏超過(guò)A1的10MHz增益帶寬積而引起的。
最終的轉(zhuǎn)換精度幾乎完全取決于5V基準(zhǔn)電壓源的質(zhì)量，因此這需要是一款優(yōu)質(zhì)元件。U1的最大電流僅為640μA，這使得它的工作更容易一些，從而能夠?qū)崿F(xiàn)真正的16位INL，參考阻抗最高可達(dá)0.11Ω。最大參考負(fù)載發(fā)生在MSBY占空比=50%時(shí)。當(dāng)Df=0和100%時(shí)，負(fù)載降至接近零。
最大紋波幅度也出現(xiàn)在50%處。輸出紋波和DAC建立時(shí)間如圖3中的紅色曲線所示。
圖3：達(dá)到全精度的穩(wěn)定時(shí)間需要~100個(gè)PWM周期=10ms(對(duì)于Fpwm=10kHz)。
圖4：C1和C2的額定電壓應(yīng)至少為Vref的10倍，以減少介電電壓敏感性對(duì)紋波消除的影響！
