Los nuevos DAC multiplicadores de alta resolución sobresalen en el manejo de señales de CA

Introducción

Todos los convertidores de digital a analógico (DAC) proporcionan una salida proporcional al producto de la ganancia establecida digitalmente y un voltaje de referencia aplicado. A multiplicando DAC difiere de un referencia fija DAC en el sentido de que puede aplicar una ganancia establecida digitalmente de alta resolución a una señal analógica de banda ancha variable. Discutimos aquí los DAC de multiplicación de escalera de resistencia y su idoneidad inherente para aplicaciones de procesamiento de señales de CA.

Lo esencial

Desde 1974, cuando Analog Devices introdujo el primer DAC multiplicador CMOS IC del mundo (10 bits), Analog Devices ha sido líder en el diseño y producción de DAC multiplicadores. Usados ​​con un amplificador que tiene el ancho de banda apropiado, emplean una escalera R-2R conmutada y una resistencia de retroalimentación en el chip para incorporar un método simple de ajustar la ganancia de una señal de entrada de referencia de CA o CC variable, usando el DAC para reemplazar la entrada y resistencias de retroalimentación de una etapa clásica de amplificador operacional inversor (Figura 1). La escalera resistiva ajustada digitalmente, con la resistencia de retroalimentación en el chip, proporciona una ganancia (D/2^norte) proporcional a la entrada digital, como si R_CAD eran una resistencia de entrada variable.

Un mercado floreciente ha visto varias generaciones de DAC multiplicadores, con mayor resolución, precisión y velocidad; varias funciones de almacenamiento digital; opciones de comunicación en serie; tamaño y costo reducidos; y DAC adicionales por chip. La última generación de DAC multiplicadores ofrece bloques de construcción ideales para controlar la ganancia de señales de voltaje de CC o CA rápidas variables.

La escalera de resistencia (R-2R), utilizada en un circuito de retroalimentación de amplificador operacional, proporciona una corriente controlada digitalmente que se traduce en un voltaje de salida mediante R_{pensión completa}. El amplificador proporciona esta salida a baja impedancia. los referencia entrada tiene una resistencia constante a tierra, igual a R. La figura 2 muestra el principio. En la Figura 2a, la mitad de la fuente de corriente, V_ÁRBITRO/Res dirigido por el interruptor S1 a I_SALIDA1conectado a la entrada negativa del amplificador (en tierra virtual), o a tierra (a menudo llamado I_SALIDA2). La mitad de la corriente restante es dirigida de manera similar por el interruptor S2... y así sucesivamente. Si los interruptores son activados por una palabra digital, D (S1 es el MSB), la suma de las corrientes en I_SALIDA1fluyendo a través R_{pensión completa}(=R), es D × 2^-norte× V_ÁRBITRO/R. Las ventajas importantes de esta configuración incluyen la minimización de transitorios, porque los interruptores están cambiando entre tierra y tierra virtual, y eso R_{pensión completa} se combina en el chip con la resistencia de la escalera, con un excelente seguimiento de la temperatura.

El rango de valores dado por la palabra digital, D, depende del dispositivo utilizado. Estos son los rangos de D (primer cuadrante) para algunos dispositivos analógicos que multiplican DAC en las familias AD545x/AD554x:

Aumento de la ganancia

Para aplicaciones en las que la tensión de salida debe ser superior a V_EN, la ganancia se puede agregar siguiendo la etapa DAC con un amplificador externo adicional; o se puede lograr en una sola etapa, simplemente atenuando el voltaje de retroalimentación, como se muestra en la Figura 3. La aproximación que se muestra es válida para R₂||R₃<<R_{pensión completa}. R₂ y R₃ deben tener coeficientes de temperatura similares, pero si R₂||R₃ es pequeño en comparación con R_{pensión completa}no es necesario que coincidan con el coeficiente de temperatura del DAC.

Salida positiva

Para generar una salida de voltaje positivo, se puede usar un circuito amplificador operacional inversor externo para proporcionar una inversión adicional de la entrada o la salida. Debido a que algunos DAC multiplicadores incluyen resistencias coincidentes no comprometidas (con coeficientes de temperatura de seguimiento), se puede obtener una salida positiva simplemente conectando un amplificador operacional adicional (A2 en la Figura 4), que podría ser el amplificador operacional complementario dentro de un dispositivo dual.

Si se requiere una salida diferencial, se necesitan dos amplificadores operacionales adicionales. Los detalles completos se pueden encontrar en Circuitos del laboratorio^® CN-0143, www.analog.com/CN-0143.

Problemas de estabilidad

Un componente importante que se muestra en la Figura 2 y la Figura 3 es el condensador de compensación (C₁). La capacitancia de salida de la escalera, más la capacitancia de entrada del amplificador y cualquier parásita, introduce un polo en la respuesta de bucle abierto, lo que puede provocar un timbre o inestabilidad cuando el bucle está cerrado. Para compensar esto, un capacitor de retroalimentación externo, C₁generalmente se conecta en paralelo con el interno R_{pensión completa} del CAD. Si el valor de C₁ es demasiado pequeño, puede producir sobreimpulso o timbre en la salida, mientras que un valor demasiado grande puede reducir indebidamente el ancho de banda del sistema. Dado que la capacitancia de salida interna del DAC varía con el código, es difícil fijar un valor preciso para C₁. El valor se aproxima mejor de acuerdo con la ecuación:

dónde GBW es el producto de ancho de banda de ganancia unitaria de señal pequeña del amplificador operacional y C_O es la capacitancia de salida del DAC.

Especificaciones clave de M-DAC para acondicionamiento de señales

Multiplicando el ancho de banda: La frecuencia de entrada de referencia en la que la ganancia es –3 dB. Para un dispositivo dado, es una función de la amplitud y la elección de la capacitancia de compensación. La Figura 6 muestra diagramas de multiplicación de ancho de banda para los DAC de salida de corriente AD5544, AD5554 o AD545x, que pueden multiplicar señales hasta 12 MHz. El ancho de banda de 350 MHz del amplificador operacional AD8038 de baja potencia que lo acompaña garantiza que el amplificador operacional introduzca errores dinámicos insignificantes en esta escala.

Distorsión armónica total analógica (THD):Una representación matemática del contenido armónico en la señal de forma de onda multiplicada. Se aproxima por la relación logarítmica de la suma rms de los primeros cuatro armónicos (V₂, V₃, V₄y V₅) de la salida DAC al valor fundamental, V₁mostrado en la Figura 7, y dado por la ecuación:

Error de alimentación de multiplicación:El error debido a la alimentación directa capacitiva desde la entrada de referencia a la salida del DAC, cuando la entrada digital al DAC es todo 0. Idealmente, con cada bit que se pierde, la ganancia se reduce en 6 dB, hasta el bit menos significativo, DB0 (Figura 8). Sin embargo, para los bits más bajos, la alimentación directa capacitiva afecta la ganancia a frecuencias más altas. Esto se puede ver por las líneas planas que se extienden hacia arriba para los bits inferiores. Por ejemplo, en DB2 para un DAC de 14 bits, la ganancia ideal debería ser de –72 dB en todas las frecuencias, pero debido a la alimentación directa, la ganancia real es de –66 dB a 1 MHz.

Elegir el amplificador operacional correcto

El rendimiento del circuito DAC multiplicador depende en gran medida de la capacidad del amplificador operacional seleccionado para mantener el voltaje nulo en la salida de escalera y realizar la conversión de corriente a voltaje. Para obtener la mejor precisión de CC, es importante seleccionar un amplificador operacional con un voltaje de compensación y una corriente de polarización bajos para mantener los errores acordes con la resolución del DAC. Las especificaciones detalladas del amplificador operacional se incluyen en las hojas de datos del dispositivo.

Para aplicaciones donde la entrada de referencia es una señal de velocidad relativamente alta, se requiere un amplificador operacional de ancho de banda alto y alta velocidad de respuesta para evitar degradar la señal. El ancho de banda de ganancia de un circuito de amplificador operacional está limitado por el nivel de impedancia de la red de retroalimentación y la configuración de ganancia. Para determinar qué GBW se requiere, una guía útil es seleccionar un amplificador operacional con un ancho de banda de -3 dB que sea 10 veces la frecuencia de la señal de referencia.

Debe tenerse en cuenta la especificación de velocidad de respuesta del amplificador operacional para limitar la distorsión de las señales grandes de alta frecuencia. Para las familias AD54xx y AD55xx, generalmente es suficiente un amplificador operacional con una velocidad de respuesta de 100 V/µs.

La Tabla 1 proporciona una selección de amplificadores operacionales que son útiles para multiplicar aplicaciones

Encontrar el DAC correcto

Para ver una tabla de convertidores de digital a analógico, donde se pueden encontrar M-DAC, visite www.analog.com/en/products/digital-to-analog-converters.html.

Conclusión

En los casi 40 años de innovación desde la introducción del primer CMOS M-DAC, varias generaciones de dispositivos han estado disponibles, con muchas funciones nuevas, rendimiento mejorado y reducciones radicales en costo y tamaño. Entre las mejoras más recientes a nuestra cartera de DAC AD55xx de salida de corriente de alta resolución de 14 bits/16 bits se encuentran:

• No linealidad integral mejorada (INL), ±1 LSB
• Reducción de THD analógico y paso de multiplicación, y anchos de banda de multiplicación más amplios
• THD reducido para señales digitales; Fallo de escala media reducido y alimentación directa digital para aplicaciones de referencia variable (CC).

Otras lecturas

1. Kester, Walt, El manual de conversión de datos (2005) Newness (Elsevier).