DAC80508 多通道DAC在高精度测试测量中的应用

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  在测试测量设备开发应用中，如何实现信号链DC Offset的补偿，以及如何获得高精度灵活可调电压输出一直都是系统设计者需要克服的困难。在本文中，我们将探讨TI新一代多通道DAC——DAC80508在诸如示波器、电池测试系统等测试测量设备中的实现上述功能的优势。TI的最新一代DAC产品，可在需要小尺寸和高性能要求的情况下实现高密度和多通道精确电压输出的解决方案。如今市场上的测试测量设备例如电池测试设备Battery Tester，数字示波器DSO，以及半导体测试仪器ATE等都会有多通道模拟参考电压输出的需求。而目前的DAC也存在一些缺点：高噪声，高功耗，缺乏灵活性等。这些缺点可以通过使用TI新一代DAC0508来克服。如图1所示是TI新一代DAC80508与市场已有方案的一些基本参数的对比。

图1 DAC80508 市场竞争分析表

下面我们将详细探讨DAC80508的具体特点：

1.小封装多路输出：

        工程师在测试测量应用中更频繁地使用高通道数的DAC或者利用单通道外加多路复用器的架构，而单个组件的尺寸对于最大化这些系统中的通道密度非常重要。 TI的经典产品DAC8560搭载CD74HC4051多路复用器，并通过多个通道间的切换来实现多路模拟量的输出。

        最新发布的具有多路模拟输出DAC参考设计（见图2），实现了8通道高集成度模拟量输出，在示波器16通道数字逻辑分析仪参考电压需求具有突出小型的整体尺寸和高精度性能。DACx0508系列使设计人员能够创建具有最高性能的密集型，高通道数数字逻辑分析仪的解决方案。例如，DAC80508ZYZFT采用2.4mm x 2.4mm裸片尺寸的球栅阵列（DSBGA）封装提供了八个16位电压DAC通道，提供了最小尺寸的16位当今市场上的通道高性能DAC。该系列使TI产品组合在尺寸，性能方面更具竞争力。小巧的设备尺寸加上创新的测试和制造技术，可节省成本，使该系列产品在价格上也具有竞争力。

1 LSB INL以16位分辨率实现最高的精度；
2.5 V高精度内部基准电压，典型值为5 ppm /°C；
2.4 x 2.4 mm的BGA封装是16位，多通道DAC可用的最小封装；

图2 单通道DAC与多通道DAC布局对比

        这种小封装的产品特点对于16通道数字逻辑分析仪，多通道电压输出电池测量仪以及多通道半导体电压电流测试设备有着非常大的优势，可以最大程度上降低对PCB布局的严格要求。也是新一代测试测量设备的一个重要需求方向。

2.高精度高集成度：

        当一个集成度较低的DAC在实际产品应用中应该考虑的因素较多。如图3所示，DAC的独立参考电压由外部的标准供电生成，而且重要的是需要对参考电压有着严格的要求，尤其是其温漂性能以及负载偏移率；另外DAC的输出增益调节也是需要有单独的buffer进行调理，同时高精度buffer的供电也要有低噪声LDO供电；如果在单通道DAC基础上实现多通道输出，则不可避免的要引入多路复用器，正如前面所介绍的内容，多路复用器的引入会在布板面积上占据过多的空间，而且必须要考虑的还有器件本身引入的噪声以及通道间的干扰问题。在高密度元器件布局的DSO中，过多的元器件也就意味着过多的损耗的增加，这不仅仅会增加整体电源的功率要求，同时也会由于过多的损耗导致局部温升明显，对于一些温度参数较为敏感的元器件会因此牺牲过多的性能参数。

图3 单通道DAC应用系统图

        DACx0508 是低功耗八通道缓冲电压输出数模转换器(DAC) 引脚兼容系列中的一员，具有 16/14/12 分辨率。如图4所示，DACx0508 包括一个 2.5V（5ppm/°C）内部基电压准，消除了大多数 应用中所需的外部精密基准。用户可选增益配置提供 1.25V（增益 = ½）、2.5V（增益= 1）或 5V（增益 = 2）满量程输出电压。该器件由单个 2.7V 至 5.5V 电源供电，具有单调性，并能提供 ±1LSB INL 的高线性度。DACx0508 通过一个运行时钟速率高达 50MHz 的串行接口进行通信。VIO 引脚使串行接口可在 1.7V 至5.5V 范围内运行。DACx0508 灵活接口支持使用广泛的行业标准微处理器和微控制器。

        DACx0508 采用了上电复位电路，以便进行上电并将DAC 输出保持在零电平或中间电平。该器件能耗低至 0.6mA/通道(5.5V) 的电流，因此非常适用于依靠电池供电的设备。如果按通道断电功能分析，器件电流消耗量将降低至 15µA。

图4 DAC80508应用系统图

        在多功能，高集成度化的市场趋势下，电池测试设备以及DSO中数字逻辑分析仪可以在很大程度上弱化对DAC外部电源与缓冲器的需求，集成的内部增益参数配置使得DAC的输出变得更加灵活，加上高精度的优势，使得这种高集成度的IC 越来越受市场的欢迎。

3.多通道无缝切换：

        当单通道DAC输出多路模拟电压量时搭配信号多路复用器使用时，尤其在不同的通道间进行切换时，在其输出端会产生微小电压毛刺或反冲。该反冲与多路复用器的开启和关断时间、导通电阻以及负载电容成函数关系。具有低导通电阻的大开关通常需采用大输出电容，而每次输入端开关时，都必须将其充电至新电压。如果输出未能建立至新电压，则将产生串扰误差。因此，多路复用器带宽必须足够大，且多路复用器输入端必须使用缓冲放大器或大电容，才能建立至满量程阶跃。此外，流过导通电阻的漏电流将产生增益误差，因此这两者都应尽可能小。如果想详细了解可以参考《模拟开关和多路复用器基础参数介绍》。

图5 受邻近切换通道影响的静态通道的波形

        从图5中可以看出，静态通道输出上因为邻近通道切换而出现尖峰。示波器在每个大约 100μs 的短时间段内的测量结果为 ±3.5mV 左右。-85dB 的 MUX 通道间隔离应会在转换过程中产生 ±1.7mV 左右的尖峰。

        而如果采用DAC80508多通道DAC集成器件，则无需考虑外部多路复用器切换造成的影响，从DAC80508的数据表格（如图6）中可以看到cross talk的参数，其DC crosstalk仅10uV。

图6 DACx0508 通道间Crosstalk参数

同时，我们也可以从测试数据中得到各通道间的干扰情况，如图7所示，这是在Gain = 1情况下进行的测量结果。

图7 受邻近切换通道影响的静态通道的波形

        从图中可以看出，静态通道输出上也会存在因为邻近通道切换而出现尖峰。但是示波器在大约 4μs 的短时间段内的测量结果为 400uV MAX。同时也不要忽略由于示波器精度的原因而产生的误差。从对比结果上也能清楚的看到，在多通道集成的DAC80508拥有优秀的crosstalk性能，为多通道模拟输出提供较高的性能提升。这种多通道独立模拟输出架构，会有效降低通道切换时引入的尖峰电压。在DSO中的16通道数字逻辑分析仪，以及用于调节偏置的多路参考电压的生成拥有先天的低噪，低干扰的优势。详细内容可以参考：DAC80508 Reference Design

        综上所述，DAC80508 多通道 16bit 高精度，集成参考电压，增益调节，宽电压范围输出的新一代DAC产品，凭借其特有的性能指标，将有效提高测试测量设备的产品性能。