快速精密DAC与高速DAC：异同
直流精度是高速dac和快速精密dac之间的主要区别。通常很难解释这种差异的原因和影响，而且当两种类型的dac提供相同的分辨率和相同的线性度时。甚至令人失望的是，快速精密dac在更新速率方面仅触及了高速dac的下限。本博客介绍并分析了这两种类型的dac的异同。
事实上，快速精密dac和高速dac专为不同的应用而设计。图 1 描述了它们的工作方式。
快速精密dac旨在提供出色的直流精度，并在代码之间快速、干净地转换。信号的“信息”包含在直流值中，优点在于变化的速度。信号频谱范围从直流到几十mhz;带宽越高，dac越快。然而，更高的带宽意味着更多的噪声添加到直流信号中，最终会使lsb无法辨别。
高速dac设计用于在数百mhz宽甚至几ghz的通带内提供出色的频谱清洁度。信号信息包含在频谱中，优点是样本的相干性。信号的频谱被限制在某个频段内，只有该频段的噪声是相关的。只要噪声密度保持不变，带宽就可以增长以容纳更多信号。
图1. 快速精密dac和高速dac之间的频谱差异
让我们探讨每种类型的转换器如何面对常见的设计挑战。
噪声
虽然快速精密dac可用于产生非常干净的谐波信号，但在许多应用中，目标是一次性达到正确的值。如图2所示，dac在两个代码之间切换的信号具有快速步进，然后缓慢收敛到所需值，称为建立时间。为了充分利用dac的分辨率，当输出达到稳态时，峰值噪声电平必须小于1 lsb。
图2.快速精密dac的建立和收敛。
如前所述，精密dac将直流的所有噪声累积到器件的带宽，其中包括1/f噪声和宽带噪声。更快的dac需要更多的带宽才能更快地建立，这意味着更多的噪声，使得保持lsb的可辨别性变得更加困难。因此，快速精密dac试图将总噪声功率降至最低，而高速dac则试图在目标频带内保持较低的噪声密度，如图1所示。
如果我们假设快速精密dac中的峰值噪声必须小于1 lsb，则可以得出结论，对于给定分辨率，峰值噪声的速度是有限的。我们无法将噪声降低到本底热噪声以下，因此这会限制信号的带宽。
输出信号与最终值的收敛最终遵循指数方法，而不管输出驱动器具有单极点或共轭极点。这是一个忽略非线性效应的近似值，但了解预期性能的大致概念很有用。基于这种方法，我们可以估计在给定时间内建立到定义精度所需的带宽。结果如图3所示。例如，如果我们希望ad3552r在0 ns内建立至1.100%精度，则需要外部tia具有3 mhz的10db带宽。ad3552r是一款双通道、33 mups精密dac，采用外部tia进行i/v转换。
图3.1 所需的带宽圣对电路进行排序，以达到给定的建立时间，并具有指定的精度。
带宽越大意味着噪声越多，而且当收集的噪声远远超过3 db截止频率时。如果我们要求该噪声的峰值必须小于1 lsb，我们可以计算出在给定的建立时间和dac分辨率下我们可以承受的噪声密度。这是使lsb可识别的要求。图4中的曲线假设没有1/f噪声，等效噪声带宽（enbw）对应于一阶电路。在 0v 范围内，建立时间精度为 1.5%。
图4.dac的最大噪声密度，以便在给定分辨率下可辨别lsb。
图4中的水平线表示1 kω电阻在25 °c（即4.1 nv/√hz）时的热噪声密度。使用具有精密dac的低阻值负载很困难，因为电压跨度很高，这意味着功率很大。
根据图4中的曲线，在16 ns内建立至0.1%的100位dac需要低于5.6 nv/√hz的噪声密度，才能在5v范围内识别lsb。相反，如果dac的噪声密度为10 nv/√hz，则为了保持lsb的可辨别性，它只能提供300 ns的建立时间。
图5显示了一个带宽过大的dac示例。从代码更改为代码足够快，但总数会导致 lsb 步骤部分重叠。
图5.在带宽过高的dac中，宽带噪声会导致lsb阶跃部分重叠。
对于高速dac，情况有所不同。这些器件设计用于在相干时间内产生带限和周期性的信号。多音调制对每个载波带宽内的噪声很敏感，因此总噪声无关紧要。解调发生在一定时间内，因此在此期间对信号和噪声进行平均，因此信号的点值无关紧要。调制信号通常是通带，甚至看不到1/f噪声。总之，高速dac更关心噪声密度，而不是总噪声功率。
建立时间
查看速度/精度权衡的另一种方法是，在给定带宽下，信号在1 lsb以内所需的时间。具有10 mhz带宽的dac的指数收敛误差如图6所示。
如果具有10 mhz带宽的dac产生满量程步进，则90 ns后的精度仅在1 lsb以内8.如果我们希望信号精确到1 lsb16，我们必须等待 180 ns。如果我们希望dac收敛得更快，我们需要更多的带宽，这意味着更多的噪声。在某些时候，增加带宽是没有回报的，因为噪声使lsb无法辨别，从而导致有效位数的减少。
图6.信号在给定分辨率的1 lsb以内所需的时间，带宽为10 mhz，不包括噪声。
通常不需要高速dac来产生全阶跃响应，因此数据手册中通常不提供此数据。它们主要用于多音调制，其中信号具有高斯幅度分布和有限的频谱，因此不需要满量程转换。高带宽允许在小信号中快速建立，但满量程上升时间可能相当大。表1显示了ad3552r和ad9726之间的比较，ad9726是少数引用这些数据的高速dac之一。ad16是一款400位、 mhz宽带dac。
ad3552r ad9726 单位
更新速率 33 400 mups
小信号建立时间 65 10.5 ns
上升时间 （10%-90%） 25 500 ns
表 1.上升时间和建立时间比较
准确性
精密dac旨在驱动电路，其中信号的直流值转换为现实世界中的绝对电平或定位。此外，我们可以要求dac快速，但最终必须保持精确。这在开环应用中尤其重要，因为开环应用中没有反馈来执行校正或没有时间进行此类操作。作为一次性应用，dac必须以绝对精度产生首次正确信号。
另一方面，高速dac利用解调过程，其中信号不是在点上，而是在相干时间内。因此，dac需要产生具有良好精度的信号，但不一定是绝对的。在解调过程中，目标频带外的噪声将被忽略。信号在时域中可能看起来很嘈杂，但在频域中仍然具有合理的噪声水平。
图 7 显示了这两个概念的比较。
图7.快速精密dac和高速dac的精度要求。
结论
在处理快速精密dac时，需要在速度和精度之间或带宽和噪声之间进行权衡。建立速度越快意味着带宽越大，从而将更多的噪声传输到输出信号中，最终使lsb无法辨别。
此外，快速精密dac需要在单次中再现准确的信号，而高速dac产生在较长时间内进行评估的信号。前者需要低总噪声和满量程捷变性，而后者需要低噪声密度和良好的小信号带宽。
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高速dac设计用于在数百mhz宽甚至几ghz的通带内提供出色的频谱清洁度。信号信息包含在频谱中，优点是样本的相干性。信号的频谱被限制在某个频段内，只有该频段的噪声是相关的。只要噪声密度保持不变，带宽就可以增长以容纳更多信号。
图1. 快速精密dac和高速dac之间的频谱差异
让我们探讨每种类型的转换器如何面对常见的设计挑战。
噪声
虽然快速精密dac可用于产生非常干净的谐波信号，但在许多应用中，目标是一次性达到正确的值。如图2所示，dac在两个代码之间切换的信号具有快速步进，然后缓慢收敛到所需值，称为建立时间。为了充分利用dac的分辨率，当输出达到稳态时，峰值噪声电平必须小于1 lsb。
图2.快速精密dac的建立和收敛。
如前所述，精密dac将直流的所有噪声累积到器件的带宽，其中包括1/f噪声和宽带噪声。更快的dac需要更多的带宽才能更快地建立，这意味着更多的噪声，使得保持lsb的可辨别性变得更加困难。因此，快速精密dac试图将总噪声功率降至最低，而高速dac则试图在目标频带内保持较低的噪声密度，如图1所示。
如果我们假设快速精密dac中的峰值噪声必须小于1 lsb，则可以得出结论，对于给定分辨率，峰值噪声的速度是有限的。我们无法将噪声降低到本底热噪声以下，因此这会限制信号的带宽。
输出信号与最终值的收敛最终遵循指数方法，而不管输出驱动器具有单极点或共轭极点。这是一个忽略非线性效应的近似值，但了解预期性能的大致概念很有用。基于这种方法，我们可以估计在给定时间内建立到定义精度所需的带宽。结果如图3所示。例如，如果我们希望ad3552r在0 ns内建立至1.100%精度，则需要外部tia具有3 mhz的10db带宽。ad3552r是一款双通道、33 mups精密dac，采用外部tia进行i/v转换。
图3.1 所需的带宽圣对电路进行排序，以达到给定的建立时间，并具有指定的精度。
带宽越大意味着噪声越多，而且当收集的噪声远远超过3 db截止频率时。如果我们要求该噪声的峰值必须小于1 lsb，我们可以计算出在给定的建立时间和dac分辨率下我们可以承受的噪声密度。这是使lsb可识别的要求。图4中的曲线假设没有1/f噪声，等效噪声带宽（enbw）对应于一阶电路。在 0v 范围内，建立时间精度为 1.5%。
图4.dac的最大噪声密度，以便在给定分辨率下可辨别lsb。
图4中的水平线表示1 kω电阻在25 °c（即4.1 nv/√hz）时的热噪声密度。使用具有精密dac的低阻值负载很困难，因为电压跨度很高，这意味着功率很大。
根据图4中的曲线，在16 ns内建立至0.1%的100位dac需要低于5.6 nv/√hz的噪声密度，才能在5v范围内识别lsb。相反，如果dac的噪声密度为10 nv/√hz，则为了保持lsb的可辨别性，它只能提供300 ns的建立时间。
图5显示了一个带宽过大的dac示例。从代码更改为代码足够快，但总数会导致 lsb 步骤部分重叠。
图5.在带宽过高的dac中，宽带噪声会导致lsb阶跃部分重叠。
对于高速dac，情况有所不同。这些器件设计用于在相干时间内产生带限和周期性的信号。多音调制对每个载波带宽内的噪声很敏感，因此总噪声无关紧要。解调发生在一定时间内，因此在此期间对信号和噪声进行平均，因此信号的点值无关紧要。调制信号通常是通带，甚至看不到1/f噪声。总之，高速dac更关心噪声密度，而不是总噪声功率。
建立时间
查看速度/精度权衡的另一种方法是，在给定带宽下，信号在1 lsb以内所需的时间。具有10 mhz带宽的dac的指数收敛误差如图6所示。
如果具有10 mhz带宽的dac产生满量程步进，则90 ns后的精度仅在1 lsb以内8.如果我们希望信号精确到1 lsb16，我们必须等待 180 ns。如果我们希望dac收敛得更快，我们需要更多的带宽，这意味着更多的噪声。在某些时候，增加带宽是没有回报的，因为噪声使lsb无法辨别，从而导致有效位数的减少。
图6.信号在给定分辨率的1 lsb以内所需的时间，带宽为10 mhz，不包括噪声。
通常不需要高速dac来产生全阶跃响应，因此数据手册中通常不提供此数据。它们主要用于多音调制，其中信号具有高斯幅度分布和有限的频谱，因此不需要满量程转换。高带宽允许在小信号中快速建立，但满量程上升时间可能相当大。表1显示了ad3552r和ad9726之间的比较，ad9726是少数引用这些数据的高速dac之一。ad16是一款400位、 mhz宽带dac。
ad3552r ad9726 单位
更新速率 33 400 mups
小信号建立时间 65 10.5 ns
上升时间 （10%-90%） 25 500 ns
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另一方面，高速dac利用解调过程，其中信号不是在点上，而是在相干时间内。因此，dac需要产生具有良好精度的信号，但不一定是绝对的。在解调过程中，目标频带外的噪声将被忽略。信号在时域中可能看起来很嘈杂，但在频域中仍然具有合理的噪声水平。
图 7 显示了这两个概念的比较。
图7.快速精密dac和高速dac的精度要求。
结论
在处理快速精密dac时，需要在速度和精度之间或带宽和噪声之间进行权衡。建立速度越快意味着带宽越大，从而将更多的噪声传输到输出信号中，最终使lsb无法辨别。
此外，快速精密dac需要在单次中再现准确的信号，而高速dac产生在较长时间内进行评估的信号。前者需要低总噪声和满量程捷变性，而后者需要低噪声密度和良好的小信号带宽。
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