本應用筆記討論了DAC中毛刺脈沖能量的原因，并提出了一種降低毛刺脈沖能量的簡單解決方案。

介紹

當數字代碼輸入從低到高或從高到低變化時，所有數模轉換器（DAC）在模擬輸出端都會表現出毛刺脈沖。這種現象在中間量程的主要進位代碼轉換期間最為明顯，這可能會產生不良的性能。本應用筆記研究了這種毛刺脈沖的原因，并探討了在低功耗、16位緩沖電壓輸出、高線性度DAC等DAC等DAC中降低毛刺脈沖的實用方法。

什么原因導致故障能量？

當DAC輸出模擬值發生變化時，在DAC輸出端觀察到動態現象，表現為毛刺，如圖1所示。該毛刺能量定義為電壓曲線下的面積與示波器上捕獲的時間圖的關系。該毛刺能量的單位是nV × s。

圖1.主要代碼轉換時的典型DAC毛刺脈沖。

這種毛刺是由于當數字位改變時選擇電阻時內部開關之間的傳播延遲不匹配而產生的，如圖2所示。當輸入代碼在中量程更改時，這一點最為明顯。對于像MAX5134這樣的16位DAC，這種代碼變化從0X7FFF到0X8000，反之亦然。原因是在二進制格式中，0X7FFF分別為 0111 1111 1111 1111 和 0X8000 1000 000 0000 00000。在數字表示中，它們分別為 32767 和 32768。這表明，在中間量程，包括最高有效位（MSB）在內的所有位都僅通過1個最低有效位（LSB）變化而改變，從而產生主要的進位轉換，因為所有內部開關同時開路或閉合。因此，最糟糕的故障是在這個中間尺度轉換處產生的。

如果DAC中存在輸出緩沖放大器，則輸出緩沖放大器也會出現這種毛刺，MAX5134就是這種情況。毛刺是所有DAC固有的，但其幅度可以通過外部電路（如簡單的RC低通濾波器）來降低。

圖2.典型的R2R DAC架構。

減少毛刺脈沖的方法

圖3示波器圖顯示了輸入代碼從0變為1時的MAX5134毛刺脈沖。毛刺脈沖幾乎察覺不到，因為只有一個內部開關閉合，因為輸入從輸入數字代碼0到1不等。

圖3.輸入數字代碼從0更改為1時的MAX5134毛刺脈沖。

圖4示波器圖顯示了輸入代碼從0X777變為0X8000時輸入代碼1LSB時的毛刺脈沖。

正如預測的那樣，毛刺脈沖更加明顯。

圖4.MAX5134輸入代碼從0X7FFF更改為0X8000時的主要代碼轉換模擬毛刺脈沖1LSB。

主要代碼毛刺脈沖通常是毛刺脈沖下的區域。其計算方法如下： 主代碼轉換模擬毛刺脈沖 ~ 10mV × 2.5μs ~ 25nV × s，在MAX5134數據資料的電氣特性表中有規定。

通過在MAX5134 DAC輸出端安裝RC低通濾波器（R = 13.8k？， C = 33pF），可以減小這種主要代碼毛刺脈沖幅度，如圖5所示。

圖5.MAX5134主代碼轉換模擬毛刺脈沖，當輸入代碼從0x7FFF更改為0x8000時，輸出端采用RC低通濾波器（R = 13.8k？，C = 33pF）。

采用RC低通濾波器時，主代碼轉換模擬毛刺脈沖為~10mV×1.5μs~15nV × s。

通過將MAX5134 DAC輸出端的電容增大至100pF，可以進一步減小這種主要代碼毛刺脈沖幅度，如圖6所示。

圖6.MAX5134主代碼轉換模擬毛刺脈沖，當輸入代碼從0x7FFF更改為0x8000時，輸出端采用RC低通濾波器（R = 13.8k？，C = 100pF）。

采用RC低通濾波器（C = 100pF）時，主碼轉換模擬毛刺脈沖為~3 × 1μs×8mV/2 = 12nV × s。

當C進一步增加到180pF時，毛刺脈沖僅為7.5nV × s，如圖7中的示波器圖所示。

圖7.將電容值增加到180pF，以進一步降低毛刺脈沖。

采用RC低通濾波器（C = 180pF）時，主碼轉換模擬毛刺脈沖為3 × 1μs×5mV/2 = 7.5nV × s。

表1總結了各種輸出低通濾波器帶寬下的毛刺脈沖能量值。隨著RC濾波器帶寬的減小，毛刺脈沖也隨之減小。選擇此RC濾波器帶寬以滿足特定應用確定的所需工作頻率。

表 1.MAX5134毛刺脈沖能量值與輸出低通濾波器帶寬的關系

測量精度

毛刺脈沖通常表現出低幅度（mV）。要準確測量此低壓信號，請使用泰克 P6243 1GHz FET 探頭。它具有1pF電容和1M？的高阻抗。探頭還提供與地面的短連接，從而能夠更準確地測量這種毛刺脈沖能量。圖9所示為所需的MAX5134毛刺脈沖測量設置，以實現精確測量。

圖9.MAX5134毛刺脈沖測量，使用泰克P6234探頭。

使用其他具有長接地連接的低頻探頭可能會產生不準確和嘈雜的結果，如圖10和圖11所示。

圖 10.MAX5134毛刺脈沖測量采用標準示波器探頭，長鱷魚夾接地連接到PCB。

圖 11.MAX5134毛刺脈沖測量采用與圖7相同的設置條件，但采用標準示波器探頭，長鱷魚皮接地夾連接到PCB。

結論

毛刺脈沖能量是所有DAC固有的，但通過簡單的低通濾波器，其幅度可以很容易地降低60%以上。由于其幅度為低信號（mV），因此使用與PCB接地較短的適當示波器探頭進行精確測量非常重要。

審核編輯：郭婷