零交越失真放大器改善DAC系統線性度

　　數模轉換器廣泛用于各種應用中，并常常搭配放大器使用，以便對輸出信號進行調理。 放大器可以提升輸出電流驅動能力、將差分信號轉換為單端輸出信號、隔離下游信號路徑，或者提供互補雙極性輸出電壓。 圖1顯示的是單電源供電的典型信號鏈，由基準電壓源、數模轉換器和緩沖器組成。 為了保持高動態輸出范圍和高信噪比性能，數模轉換器(DAC)通常設計為可工作在全擺幅狀態下，而基準電壓(VREF)設為與電源電壓(VDD)相等。 這樣可以最大程度利用數字碼。 采用單電源時，DAC和輸出緩沖器電源通常連接到同一條電源線上。 在這種配置下，需要采用軌到軌輸入和輸出放大器。

　　圖1： 單電源供電的典型信號鏈

　　經典非軌到軌輸入放大器的輸入級采用p型(或n型)差分對。 p型輸入放大器允許輸入共模電壓到達并包含低供電軌。 這在接地檢測應用中尤為有用。 另一方面，n型輸入放大器允許輸入電壓范圍從低供電軌以上幾V，到高供電軌。 這類放大器適合需要包含高供電軌的應用，比如高端電流檢測監控器。 為了使輸入共模電壓擴展到兩條供電軌，軌到軌輸入放大器同時集成n型和p型輸入級。

　　軌到軌輸入放大器的主體部分的設計采用兩個并聯輸入差分對，分別是n型和互補p型。 輸入共模電壓確定哪個差分對開啟并激活。 當輸入電壓接近并達到低供電軌時，p型差分對開啟。 對于高供電軌及以下的輸入電壓，則激活n型差分對。 這種拓撲結構允許放大器保持寬動態輸入電壓范圍，并使信號擺幅最大達到兩個供電軌。 然而，這些放大器有一個缺點，通常稱為“交越失真”， 輸入差分對常常表現出不同的失調電壓。 當由于輸入共模電壓改變而從一對切換到另一對時，會產生階躍狀特性，這可以從失調電壓與輸入共模電壓的關系圖中看出。 這種交越失真是所有采用雙差分對拓撲結構的軌到軌輸入放大器的固有特性。 圖2給出了一個例子。 該例中，放大器電源為+5V和地，交越區域為3.4 V輸入共模電壓處。 這類放大器可用于具有軌到軌輸入電壓范圍的應用中，但當輸入共模電壓處于過渡帶時會產生問題。 舉例而言，當放大器用作DAC輸出緩沖器的時候，“交越失真”會造成非線性。

　　圖2： 典型軌到軌輸入放大器的輸入失調電壓與輸入共模電壓的關系

　　圖3顯示使用16位數模轉換器和典型軌到軌輸入/輸出緩沖器時，電路的積分非線性(INL)誤差。 INL誤差是指實際轉換器傳遞函數與理想傳遞函數的偏差，用LSB表示。 注意，數模轉換器輸入的掃描范圍為代碼200到代碼216-200，這便將范圍兩端約15 mV(200個代碼)排除在外，因為軌到軌輸出放大器并非具有完全的軌到軌輸出，并且需要留有部分輸出裕量(通常在數據手冊中指定)。 大致在45000輸入數字碼處可檢測到交越失真，這相當于3.4 V輸入共模電壓。 顯然，放大器交越失真會使INL性能下降，影響系統精度。 本例中，對于一個16位系統而言，交越非線性高達4至5 LSB。 很多系統都會執行校準以便消除初始失調電壓，但無法通過校準消除這種非線性。

　　圖3： 16位DAC搭配典型軌到軌輸入緩沖器時的積分非線性(INL)

　　使用零交越失真放大器可解決交越非線性問題。 這種放大器片內集成電荷泵輸入增強電路，從而實現了軌到軌輸入擺幅。 電荷泵可提升數V內部電源，以便提供輸入級所需的裕量，從而使放大器無需互補輸入差分對即可實現軌到軌輸入擺幅。 因此，它不存在交越失真。 ADI公司的ADA4500-2便是這樣一款零交越失真放大器。圖4顯示該器件的失調電壓與輸入共模電壓的關系。 可以看到，失調電壓在整個輸入共模電壓范圍內都十分穩定。

　　圖4： 一款零交越失真放大器的失調電壓與輸入共模電壓的關系

　　使用零交越失真放大器可消除數模轉換器系統中的交越非線性。 圖5顯示的是使用同一款16位數模轉換器搭配ADA4500-2的電路INL。零交越失真特性改善了INL性能，使其低于+/-1 LSB。

　　越失真放大器的替代方案，采用低于其電源電壓(VDD)的基準電壓(VREF)作為轉換器電源也能避免產生交越非線性。 例如，使用5 V電源電壓和2.5 V基準電壓。 這樣可以確保典型軌到軌輸入放大器的交越區域不在輸入數字碼的范圍內。 但這種方法的缺陷是輸出范圍減半。 如果信號電平過低，則可能還需要用一個外部放大器來放大輸出信號。 如果系統有多個電源，那么另一種可行的方法是為放大器提供一個較高的電源電壓，從而允許使用非軌到軌輸入放大器。 增加電源電壓將為輸入級提供足夠的裕量。 然而，這種方法的電源效率較低。

　　總之，應仔細選擇適當的放大器作為DAC輸出緩沖器，這點很重要。 您可以犧牲輸出范圍而降低DAC基準電壓，或者犧牲低功耗性能而增加緩沖器電源電壓。 或者，更好的方法是，您可以使用軌到軌輸入/輸出放大器來最大化輸入和輸出范圍，但請考慮使用零交越失真放大器以避免交越非線性誤差。