本應用筆記探討了如何轉換單極性數模轉換器（DAC）以用于雙極性應用。通過增加一個精密基準電壓源和一個精密運算放大器，計算結果顯示理想單極性DAC的轉換。通過討論如何選擇所需的電阻、基準電壓源和運算放大器以及需要考慮的參數來說明實際轉換。

模擬IC的趨勢是單電源數模轉換器（DAC）。僅具有正5V電源的DAC很方便，但它將可用應用限制在不需要高電壓、高電流或雙極性（±）輸出的應用。在本應用筆記中，我們說明了外部運算放大器如何轉換單極性DAC以提供雙極性工作。

走非常規路線

“上樓梯”一詞來自電影、戲劇和同名書籍。1這是一部以紐約市一所學校為背景的喜劇。標題讓人想起一條規則，該規則懲罰學生上樓梯而下樓。對于一個年輕人來說，跑上正在下降的樓梯或自動扶梯（圖1）總是一個巨大的誘惑。有人可能會說孩子“跳出框框思考”或違反規則，也許他是。顯然，他正在挑戰預期或強制流程，即共同思維。他還展示了如何通過一些大膽的方法，通過非常規路線實現目標。這里有一個教訓給我們工程師。

有時，當我們設計模擬電路時，設計“元素”只是不想組合在一起。解決方案似乎異常難以捉摸。一個例子是，當我們需要單極性DAC的雙極性輸出時。當今的行業趨勢是向更小、更低功耗和更高性能的設備發展，這在解決解決方案問題時非常出色。然而，這種低壓、單極性DAC不能直接在高性能、高電壓、大電流或雙極性應用中工作。任何額外的電路都不得降低DAC的性能。在這種情況下，是時候上自動扶梯了，嘗試一些不同的東西。我們將向您展示如何通過添加高壓運算放大器從單極性DAC產生雙極性輸出。

修改“理想”單極性DAC

一個簡單的雙極性輸出電路如圖2所示。它包含一個單極性DAC、一個精密基準電壓源和一個精密運算放大器。

圖2.典型的雙極性輸出工作電路。

本電路的輸出功能可以通過對理想運算放大器進行兩個常見假設來得出：

輸入運算放大器電流為0。

在穩定條件下，V+輸入等于V-輸入。

根據基爾霍夫當前定律，V-節點的方程為：

事實上，我們已經推導出了差分放大器的方程，其中第一個元件是同相輸入，第二個元件是反相分量，每個元件都有各自的增益。

由于DAC輸出，V代數轉換器，是輸入代碼和提供的基準電壓的函數，公式2可以改寫為：

因此，雙極性操作允許輸出從-V擺動裁判至 +V裁判隨著團結的收獲。表1顯示了理想16位DAC和2.5V V的理想雙極性輸出數據與基于公式4的代碼的關系裁判在圖 2 中。

表 1.雙極性輸出與代碼（V裁判= 2.5V）

針對實際應用優化“理想”DAC

如我們所見，轉換理想的單極性DAC很容易。然而，我們生活在現實世界中，沒有什么是理想的。圖2中的每個元件都有自己的精度水平，共同影響DAC的最終輸出精度。每個系統都必須根據應用所需的精度進行表征和校準。因此，即使選擇高精度16位DAC，也應特別注意選擇合適的基準電壓源、放大器和反饋電阻。哪個組件對不準確性的影響最大？哪些參數對于雙極應用最關鍵？這些既不是簡單的問題，也不是微不足道的問題。沒有經驗的工程師可能會驚訝地發現，即使是簡單的電阻器對于這種設計修改也非常關鍵。

選擇合適的電阻器并不簡單

電阻匹配、容差和溫度系數是任何精密應用中最重要的參數。這些參數會影響整個溫度范圍內的電路誤差、失調、增益誤差和增益穩定性。需要考慮每個參數。

有多種電阻器類型可供選擇，從薄膜到金屬箔，容差從 1% 到 0.01%。溫度系數范圍為300ppm/°C至0.2ppm/°C，成本跟蹤精度。但是，電阻數據手冊中可能沒有明確提及設置增益的最重要參數：電阻與另一個電阻的匹配。對于可以手工匹配電阻器的多個部件的生產，必須假設兩個電阻器位于公差的兩端。這是在最壞情況下允許安全操作的唯一假設。精密匹配的電阻對可能很昂貴，具體取決于制造工藝。使用半導體制造工藝的最大優點是電阻器采用光復制工藝制造，并在同一基板上同時制造。有兩種方法可以實現此目的。一種方法是封裝中只有兩個電阻的產品。2另一種方法使用多個電阻和一個DAC，它們在同一封裝中匹配。我們在下面解釋第二種方法。

選擇合適的放大器

選擇合適的放大器也可能具有挑戰性，特別是對于16位和更高精度的DAC。必須密切注意輸入參數。有很多：輸入偏置電流、輸入失調電壓、輸入失調電壓漂移、輸入電壓范圍、輸入電容和建立時間以及輸入電流和電壓噪聲密度。其他參數同樣重要：共模抑制比（CMRR）和電源抑制比（PSRR）、總諧波失真（THD）和增益帶寬、壓擺率和輸出瞬態恢復時間。這些參數的詳細說明不在本文的討論范圍之內，需要對放大器的數據手冊進行徹底檢查。3

影響基準電壓源的外部因素

選擇基準電壓源有幾個關鍵規格，4您需要查閱每個數據手冊：輸出電壓精度、輸出電壓溫度系數、線路和負載調整率以及輸出電壓噪聲和長期穩定性。在這一切之后，還有另一個考慮因素。外力會降低某些基準電壓參數。5例如，如果DAC的結構改變了基準電壓源上的負載，則負載調整率可能會成為一個問題。

為了更好地理解這個過程，我們考慮了三種不同的場景。

假設有一個帶有緩沖基準輸入的DAC，并且對于所有輸出電平和數字代碼，它在基準引腳上保持相同的阻抗。但是，如果沒有基準輸入緩沖器，如果負載在工作期間發生變化，應用精度可能會降低。

現在考慮一種串式DAC架構，也稱為數字電位器，其最簡單的形式是一組串聯電阻，每個電阻之間都有一個抽頭和開關，因此可以選擇任何一個作為游標。如果電位器游標上的電路負載阻抗非常高，則對基準電壓源在電位器頂部看到的總電阻幾乎沒有影響。但是，如果游標上的電阻負載較低，則基準電壓源看到的負載電阻變化可能很大。在這種情況下，數據手冊中定義的負載調整率會對應用精度產生重大影響。

還有一個軌到軌（R-2R）梯子。采用 R-2R 結構時，基準電壓負載可變化 10 倍至 20 倍，電阻的額外負載 RINV和 RFB，放大器規定基準電壓源的電阻應盡可能高。

使非常規變得實用——所需的雙極性DAC

單極性、16位、無緩沖DAC可通過增加一個外部精密運算放大器來執行雙極性操作。這種配置的兩個例子是16位MAX542和MAX5442 DAC，它們使用集成的0.015% （最大值）匹配縮放電阻，R FB和 RINV，以實現輕松的雙極性輸出擺幅（圖 3）。使用這些DAC消除了輸出緩沖器的重復，節省了PCB空間，并為我們的客戶提供了易于使用且具有成本效益的解決方案。

圖3.這些16位DAC使用外部運算放大器提供雙極性輸出。

該方案需要最新一代的運算放大器，如MAX9632。圖3中DAC的雙極性操作的INL和DNL圖如圖4至圖7所示。INL 計算是使用安捷倫 HP 3458A 萬用表測量的非調整數據并采用終點法進行的。??

結論

雖然在現實場景中并不那么簡單，但如果您跳出框框思考，或者想走下樓梯，轉換單極性DAC以用于需要雙極性操作的應用是可行的。通過在單極性DAC中增加電阻、精密基準電壓源和精密運算放大器，我們成功地做到了這一點。

審核編輯：郭婷