直流精度是高速DAC和快速精密DAC之間的主要區別。通常很難解釋這種差異的原因和影響，而且當兩種類型的DAC提供相同的分辨率和相同的線性度時。甚至令人失望的是，快速精密DAC在更新速率方面僅觸及了高速DAC的下限。本博客介紹并分析了這兩種類型的DAC的異同。

事實上，快速精密DAC和高速DAC專為不同的應用而設計。圖 1 描述了它們的工作方式。

快速精密DAC旨在提供出色的直流精度，并在代碼之間快速、干凈地轉換。信號的“信息”包含在直流值中，優點在于變化的速度。信號頻譜范圍從直流到幾十MHz;帶寬越高，DAC越快。然而，更高的帶寬意味著更多的噪聲添加到直流信號中，最終會使LSB無法辨別。

高速DAC設計用于在數百MHz寬甚至幾GHz的通帶內提供出色的頻譜清潔度。信號信息包含在頻譜中，優點是樣本的相干性。信號的頻譜被限制在某個頻段內，只有該頻段的噪聲是相關的。只要噪聲密度保持不變，帶寬就可以增長以容納更多信號。

圖1. 快速精密DAC和高速DAC之間的頻譜差異

讓我們探討每種類型的轉換器如何面對常見的設計挑戰。

噪聲

雖然快速精密DAC可用于產生非常干凈的諧波信號，但在許多應用中，目標是一次性達到正確的值。如圖2所示，DAC在兩個代碼之間切換的信號具有快速步進，然后緩慢收斂到所需值，稱為建立時間。為了充分利用DAC的分辨率，當輸出達到穩態時，峰值噪聲電平必須小于1 LSB。

圖2.快速精密DAC的建立和收斂。

如前所述，精密DAC將直流的所有噪聲累積到器件的帶寬，其中包括1/f噪聲和寬帶噪聲。更快的DAC需要更多的帶寬才能更快地建立，這意味著更多的噪聲，使得保持LSB的可辨別性變得更加困難。因此，快速精密DAC試圖將總噪聲功率降至最低，而高速DAC則試圖在目標頻帶內保持較低的噪聲密度，如圖1所示。

如果我們假設快速精密DAC中的峰值噪聲必須小于1 LSB，則可以得出結論，對于給定分辨率，峰值噪聲的速度是有限的。我們無法將噪聲降低到本底熱噪聲以下，因此這會限制信號的帶寬。

輸出信號與最終值的收斂最終遵循指數方法，而不管輸出驅動器具有單極點或共軛極點。這是一個忽略非線性效應的近似值，但了解預期性能的大致概念很有用。基于這種方法，我們可以估計在給定時間內建立到定義精度所需的帶寬。結果如圖3所示。例如，如果我們希望AD3552R在0 ns內建立至1.100%精度，則需要外部TIA具有3 MHz的10dB帶寬。AD3552R是一款雙通道、33 MUPS精密DAC，采用外部TIA進行I/V轉換。

圖3.1 所需的帶寬圣對電路進行排序，以達到給定的建立時間，并具有指定的精度。

帶寬越大意味著噪聲越多，而且當收集的噪聲遠遠超過3 dB截止頻率時。如果我們要求該噪聲的峰值必須小于1 LSB，我們可以計算出在給定的建立時間和DAC分辨率下我們可以承受的噪聲密度。這是使LSB可識別的要求。圖4中的曲線假設沒有1/f噪聲，等效噪聲帶寬（ENBW）對應于一階電路。在 0V 范圍內，建立時間精度為 1.5%。

圖4.DAC的最大噪聲密度，以便在給定分辨率下可辨別LSB。

圖4中的水平線表示1 kΩ電阻在25 °C（即4.1 nV/√Hz）時的熱噪聲密度。使用具有精密DAC的低阻值負載很困難，因為電壓跨度很高，這意味著功率很大。

根據圖4中的曲線，在16 ns內建立至0.1%的100位DAC需要低于5.6 nV/√Hz的噪聲密度，才能在5V范圍內識別LSB。相反，如果DAC的噪聲密度為10 nV/√Hz，則為了保持LSB的可辨別性，它只能提供300 ns的建立時間。

圖5顯示了一個帶寬過大的DAC示例。從代碼更改為代碼足夠快，但總數會導致 LSB 步驟部分重疊。

圖5.在帶寬過高的DAC中，寬帶噪聲會導致LSB階躍部分重疊。

對于高速DAC，情況有所不同。這些器件設計用于在相干時間內產生帶限和周期性的信號。多音調制對每個載波帶寬內的噪聲很敏感，因此總噪聲無關緊要。解調發生在一定時間內，因此在此期間對信號和噪聲進行平均，因此信號的點值無關緊要。調制信號通常是通帶，甚至看不到1/f噪聲。總之，高速DAC更關心噪聲密度，而不是總噪聲功率。

建立時間

查看速度/精度權衡的另一種方法是，在給定帶寬下，信號在1 LSB以內所需的時間。具有10 MHz帶寬的DAC的指數收斂誤差如圖6所示。

如果具有10 MHz帶寬的DAC產生滿量程步進，則90 ns后的精度僅在1 LSB以內8.如果我們希望信號精確到1 LSB16，我們必須等待 180 ns。如果我們希望DAC收斂得更快，我們需要更多的帶寬，這意味著更多的噪聲。在某些時候，增加帶寬是沒有回報的，因為噪聲使LSB無法辨別，從而導致有效位數的減少。

圖6.信號在給定分辨率的1 LSB以內所需的時間，帶寬為10 MHz，不包括噪聲。

通常不需要高速DAC來產生全階躍響應，因此數據手冊中通常不提供此數據。它們主要用于多音調制，其中信號具有高斯幅度分布和有限的頻譜，因此不需要滿量程轉換。高帶寬允許在小信號中快速建立，但滿量程上升時間可能相當大。表1顯示了AD3552R和AD9726之間的比較，AD9726是少數引用這些數據的高速DAC之一。AD16是一款400位、<> MHz寬帶DAC。

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表 1.上升時間和建立時間比較

準確性

精密DAC旨在驅動電路，其中信號的直流值轉換為現實世界中的絕對電平或定位。此外，我們可以要求DAC快速，但最終必須保持精確。這在開環應用中尤其重要，因為開環應用中沒有反饋來執行校正或沒有時間進行此類操作。作為一次性應用，DAC必須以絕對精度產生首次正確信號。

另一方面，高速DAC利用解調過程，其中信號不是在點上，而是在相干時間內。因此，DAC需要產生具有良好精度的信號，但不一定是絕對的。在解調過程中，目標頻帶外的噪聲將被忽略。信號在時域中可能看起來很嘈雜，但在頻域中仍然具有合理的噪聲水平。

圖 7 顯示了這兩個概念的比較。

圖7.快速精密DAC和高速DAC的精度要求。

結論

在處理快速精密DAC時，需要在速度和精度之間或帶寬和噪聲之間進行權衡。建立速度越快意味著帶寬越大，從而將更多的噪聲傳輸到輸出信號中，最終使LSB無法辨別。

此外，快速精密DAC需要在單次中再現準確的信號，而高速DAC產生在較長時間內進行評估的信號。前者需要低總噪聲和滿量程捷變性，而后者需要低噪聲密度和良好的小信號帶寬。

審核編輯：郭婷