我們必須認(rèn)識(shí)到，DAC 不過是電路設(shè)計(jì)眾多“鏈路”當(dāng)中的一條。任何電路板的“鏈條”是否強(qiáng)健取決于每條鏈路是否強(qiáng)健，因此本文將著重介紹DAC 電路強(qiáng)健的設(shè)計(jì)實(shí)踐方法。我們首先會(huì)討論系統(tǒng)架構(gòu)及如何根據(jù)關(guān)鍵特性選擇 DAC。然后將介紹一些設(shè)計(jì)方針，包括如何使用參考電壓和輸出調(diào)節(jié)。本文最后將介紹噪聲抵御技術(shù)和 PCB 布局的最佳范例。

　　架構(gòu)與DAC選擇

　　建造房屋外墻前，必須先打好地基。對(duì)電子工程師而言，這個(gè)地基就是電路架構(gòu)。在軍事、航空及其它應(yīng)用中，都是以高水平的系統(tǒng)規(guī)格為標(biāo)準(zhǔn)來創(chuàng)建架構(gòu)的。即使簡(jiǎn)單應(yīng)用沒有系統(tǒng)規(guī)格，每個(gè)設(shè)計(jì)師如能了解 DAC 在系統(tǒng)架構(gòu)中的運(yùn)作方式，也會(huì)受益匪淺。了解架構(gòu)的一種簡(jiǎn)單方法就是繪制架構(gòu)的框圖。參看圖 1，它是一幅說明了如何設(shè)計(jì)手持式音頻播放器的簡(jiǎn)單框圖?！?/p>

　?。▓D 1 – 架構(gòu)框圖）

　　如圖所示，微控制器會(huì)控制并將數(shù)據(jù)發(fā)送至 DAC。DAC 則會(huì)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)代碼將模擬電壓輸出至音頻放大器，以調(diào)整音量/增益。然后，音頻放大器將以 DAC的增益設(shè)置來驅(qū)動(dòng)擴(kuò)音器。從這幅簡(jiǎn)單的框圖中可以看出，DAC 需要具備以下特征：

　　　-    I²C 接口

　　-    轉(zhuǎn)換速率很快，足以支持 20Hz-20KHz 的音頻范圍

　　-    5V電源電壓軌

　　-    符合各電池源的電源效率

　　確定關(guān)鍵要求后，設(shè)計(jì)師就可以開始選擇合適的 DAC。選擇 DAC 時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)查閱多個(gè)廠商的數(shù)據(jù)表，并用熒光筆標(biāo)記出符合上述要求的所有關(guān)鍵特性。DAC 特性包含在數(shù)據(jù)表的電氣特性表格中，并按如靜態(tài)性能、輸出特性、電源要求和動(dòng)態(tài)特性等類別分類顯示。本鏈接給出了典型的 DAC 數(shù)據(jù)表 (http://www.national.com/ds/DA/DAC121S101.pdf)示意。接下來我們將了解典型應(yīng)用中使用的某些重要參數(shù)。

　　接口

　　在許多應(yīng)用中，微控制器、FPGA/CPLD 或其它處理器產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)代碼。且更為重要的是，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通常會(huì)先選擇處理器或微控制器，再選擇電路板上的其它組件。這可能是由現(xiàn)有軟件代碼、開發(fā)工具甚至是軟件/硬件團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)所決定的。因此，雖然第一篇文章中討論的 DAC基本 參數(shù)很重要，但接口往往才是其最關(guān)鍵的指標(biāo)。圖 2 中給出了需要考慮的四種常見 DAC 接口。

（圖 2 – 接口比較）

　　并行接口使用分離的導(dǎo)線傳輸每個(gè)信號(hào)位，并包含用于傳輸控制和時(shí)鐘信號(hào)的額外導(dǎo)線。這種接口很容易在 IC 上實(shí)現(xiàn)，但需要大量布線和引腳。并行接口的速度取決于每個(gè)特定的DAC，但通?？芍С址浅８叩臄?shù)據(jù)速率。內(nèi)置集成芯片 (I²C) 串行總線由 Philips (NXP) 發(fā)明，它是微控制器中最常用的串行總線，I²C 在標(biāo)準(zhǔn)模式下支持 100kbps 的數(shù)據(jù)速率，但在大多數(shù)微控制器中，均可支持高達(dá) 1Mbps 的數(shù)據(jù)速率。串行外設(shè)接口 (SPI) 總線是 Motorola 開發(fā)的同步串行標(biāo)準(zhǔn)，也可用于多種微控制器，  它可支持高達(dá) 400Mbps 的數(shù)據(jù)速率，一般情況下則支持 1Mbps 的典型數(shù)據(jù)速率。SPI 標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn)之一是它不像 I²C 那樣被嚴(yán)格規(guī)范，因此可能會(huì)導(dǎo)致具有 SPI 接口的設(shè)備間不完全兼容。Microwire 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體在 20 世紀(jì)80 年代早期開發(fā)的串行接口，它被認(rèn)為是 SPI 的前身和子集。

　　分辨率

　　與 ADC 一樣，DAC 分辨率也是以位數(shù)來指定的。分辨率和 DAC 參考一起決定輸出信號(hào)的粒度。校準(zhǔn)等應(yīng)用可能需要 16 位以上的分辨率，而用于電壓偏移調(diào)整的電路則只需要 10 位 DAC。如第一篇文章中所論述，輸出信號(hào)的表示在很大程度上將取決于分辨率。DAC 適用的分辨率為 8 到 24 位，設(shè)計(jì)師需要預(yù)估真正所需的粒度，因?yàn)楫?dāng)分辨率越高，DAC 的成本就會(huì)相應(yīng)地大幅增加。

　　建立時(shí)間

　　建立時(shí)間是指從輸入代碼發(fā)生變化開始到產(chǎn)生 DAC 輸出信號(hào)并保持在最終值的指定公差范圍內(nèi)的時(shí)間。不同芯片廠商規(guī)定的建立時(shí)間特性會(huì)有所差異，因此必須注意每個(gè)數(shù)據(jù)表所適用的測(cè)試條件。對(duì)于使用直流電或較低頻率信號(hào)（例如音頻）的應(yīng)用，建立時(shí)間通常不是考慮的關(guān)鍵要素。但如果 DAC為 測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)提供快速移動(dòng)的波形，則建立時(shí)間將是最關(guān)鍵的考慮因素。任何設(shè)計(jì)師均應(yīng)妥善計(jì)劃最長(zhǎng)建立時(shí)間與輸出端所需信號(hào)時(shí)間之間的時(shí)間裕度。請(qǐng)切記，規(guī)格參數(shù)只針對(duì)特定的測(cè)試條件，而您的應(yīng)用環(huán)境可能有所不同！實(shí)際上，DAC 設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)均需合理的設(shè)計(jì)裕度。

　　積分非線性 (INL) 和微分非線性 (DNL)

　　線 性 DAC 相當(dāng)于一面完美的“鏡子”，可以準(zhǔn)確反映輸入內(nèi)容。DAC 的非線性分為兩個(gè)方面 INL 和 DNL。INL 用于通過輸入/輸出傳輸函數(shù)來度量每個(gè)輸入代碼與直線之間的偏差。DNL 用于度量與 1 個(gè)最低有效位 (LSB) 的理想梯度之間的最大偏差。圖 3 顯示非線性度對(duì) DAC 輸出的影響。

　　（圖 3 – 線性度）

　　­如果設(shè)想符合傳輸函數(shù)的正弦波形由水平軸方向傳出，則輸出波形應(yīng)完全相同。但由于存在 INL/DNL，正弦信號(hào)將會(huì)失真，這意味著 DAC 輸出信號(hào)不能精確表示輸入代碼。在校準(zhǔn)系統(tǒng)或 測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)等需要高精度的應(yīng)用中，這些特性尤為重要。但在其它如 LCD 背光中的可調(diào)簡(jiǎn)單直流梯度電壓應(yīng)用中，線性度則不是關(guān)鍵問題。

　　封裝與功率

　　封裝是個(gè)重要問題，它會(huì)限制選擇范圍。例如，如果裝配線不支持小型球柵陣列 (BGA)，就不能選擇沒有替代封裝的那些 DAC。封裝在電路的熱特征方面同樣發(fā)揮重要作用，每個(gè)IC廠商都應(yīng)指定封裝的典型 的結(jié)到環(huán)境的熱阻 (θ_J-A)值。參照最高結(jié)溫及預(yù)期功耗，θ_J-A值可用于預(yù)估電路板的熱特征。DAC 功耗在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中非常重要，特別是在電池或便攜式應(yīng)用中。低功率 DAC 可改善電路板的整體熱特征并降低散熱器需求。對(duì)于低功耗應(yīng)用，設(shè)計(jì)師應(yīng)選擇每通道典型功耗低于 2mW-3 mW 的 DAC。而大部分新的 DAC 均具有待機(jī)模式，可使功耗低于 1uW，這可以作為選擇 DAC 時(shí)的重要因素。

　　設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針

　　選擇 DAC 后的第一步應(yīng)全面查閱數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表應(yīng)包含完整的功能描述、引腳描述、應(yīng)用范圍以及可用作電路最初原型的參考框圖。此外，DAC 網(wǎng)頁上還可能提供現(xiàn)有的參考設(shè)計(jì)和評(píng)估板。有了這些資源，特別是評(píng)估板在公開發(fā)布前一般已經(jīng)過良好測(cè)試，您就可以輕松優(yōu)化應(yīng)用中所選用的組件。

　　參考與電源

　　參考與電源使用同一引腳的 DAC 需要非常穩(wěn)定的源電源。在理想狀況下，參考/電源的精確度將低于 1%，但在許多情況下，DAC 需要更精確的參考值。在這種情況下，要找到具有足夠的電流輸出和較高精度的電源將是富有挑戰(zhàn)性的工作。而幸運(yùn)的是，許多新型低功耗 DAC 可在低于 50mA 的電流下工作，因而削弱了這個(gè)限制。圖 4 中顯示的是與低功耗DAC 搭配使用的電壓參考范例。對(duì)于具有獨(dú)立電源和參考線路的 DAC，應(yīng)遵循相同的數(shù)據(jù)表要求。分離功能雖然提高了電源選擇的靈活性，但卻增加了實(shí)施的復(fù)雜性。

　?。▓D 4 – 電壓參考和 DAC）

　　DAC 輸出調(diào)整

　　雖然我們可以將 DAC 的輸出直接連至負(fù)載，但在大部分情況下，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行額外的緩沖或調(diào)整，可以通過設(shè)置為電壓輸出器（緩沖器）的同相運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)調(diào)整的目的，在必要時(shí)也可使用具有增益的放大器。圖 5 顯示了調(diào)整輸出信號(hào)及提高增益的兩種方式。運(yùn)算放大器是可以與電壓和電流輸出 DAC 搭配使用的靈活零件，可以與其它許多零件一起用于 DAC 和 ADC 電路信號(hào)調(diào)整。運(yùn)算放大器在 DAC 電路中的使用，僅受創(chuàng)造性和應(yīng)用限制的制約。對(duì)于這個(gè)被廣泛應(yīng)用的零件，市面上有很多優(yōu)秀的運(yùn)算放大器教材可供學(xué)習(xí)。使用緩沖器時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)確保運(yùn)算放大器電路對(duì)誤差的影響小于 DAC 的 1/2 LSB ，即 在合理性及適當(dāng)?shù)某杀痉秶鷥?nèi)，誤差越小越好。為 DAC 選擇相應(yīng)的運(yùn)算放大器時(shí)，還應(yīng)考慮其它方面如運(yùn)算放大器的帶寬、電壓軌以及電壓軌到軌輸入和輸出 (RRIO) 性能等。

　?。▓D 5 – 緩沖 DAC 輸出）

　　抵御噪聲

　　噪聲可通過多種方式在系統(tǒng)中傳播：傳導(dǎo)（布線、連接）、近場(chǎng)磁感應(yīng)（變壓器、電感器）、電場(chǎng)（電容器）和遠(yuǎn)場(chǎng)電磁感應(yīng)（無線電、天線）。對(duì)于 DAC 設(shè)計(jì)而言，傳導(dǎo)模式是在令電路板上產(chǎn)生噪聲的主要原因。由 Henry Ott 撰寫的《Noise Reduction Techniques》是電路設(shè)計(jì)師的最佳參考資料之一，其中包含減少噪聲的一些機(jī)制和眾多技術(shù)。

　　布線 – 傳導(dǎo)噪聲

　　設(shè)計(jì)師必須認(rèn)識(shí)到任何信號(hào)都是電流，它始于一個(gè)能量源形式，并且必須返回相同的源并將恢復(fù)為能量形式。圖 6 給出了布線框圖，從中可以看出，它不只是自身還有一定阻抗的導(dǎo)線，布線總阻抗須視為阻抗(R_E)的總和，包括自感 (L_E) 和電容 (C_E)。

　?。▓D 6 – 實(shí)際布線）

　　對(duì)于超過幾千赫茲的信號(hào)頻率，自感 (L_E) 成為產(chǎn)生噪聲的關(guān)鍵原因。因此，即使不考慮 EMI，盡量縮短所有環(huán)路電流路徑也將令所有電路受益，即降低整體電感值從而減少噪聲。在 DAC 電路中，在輸入端可能有高速數(shù)字信號(hào)。高速數(shù)字電流應(yīng)通過較短的獨(dú)立的回流路徑返回其原始端，以消除傳導(dǎo)的接地噪 聲。

　　接地

　　接地的最佳定義可以是電流回到源極的非常低的阻抗路徑。它就是圖 6 中所示的信號(hào)返回路徑（虛線）。PCB 上的專用接地層也是對(duì)接地的一種定義。但是，在使用 DAC 等混合信號(hào)零件時(shí)，單個(gè)接地層可能會(huì)允許數(shù)字電路中的噪聲通過接地層耦合到模擬信號(hào)返回路徑中。防止發(fā)生這種現(xiàn)象的其中一項(xiàng)技術(shù)就是將接地層分為數(shù)字和模擬區(qū)域，然后使用較細(xì)的走線將其連接起來。這會(huì)使整個(gè)地面保持相等電位，同時(shí)也防止數(shù)字接地電流進(jìn)入模擬端。另一種選擇是使用兩個(gè)內(nèi)部層 – 一層專用于模擬接地，另一層專用于數(shù)字接地，并通過 VIA 將二者相連。從各方面綜合考慮，這是一個(gè)較好的解決方案，但它確實(shí)會(huì)增加電路板的成本。

　　電源旁路

　　DAC 輸入電源引腳上的旁路電容器可降低噪聲，這在使用開關(guān)電源時(shí)顯得尤為重要。設(shè)計(jì)師應(yīng)提前對(duì)不同電容值的電容器評(píng)估，以過濾掉電路上預(yù)期會(huì)出現(xiàn)的諧波噪聲范圍。有兩種方式可旁路電源：電壓軌至接地（傳統(tǒng)）和電壓軌至電壓軌（僅限雙極 DAC）。對(duì)于電壓軌至接地旁路，設(shè)計(jì)師應(yīng)將多個(gè)電容器（電容值在 0.01uF 至 0.1uF間）放在盡量靠近 DAC 電源引腳的位置。電壓軌至電壓軌方案則在兩個(gè)供電軌上跨接一個(gè)電容器，這樣可減少電容器數(shù)量，但由于需要更高的額定電壓，因此需要更大的封裝。除了旁路外，也可在電源走線上增加鐵氧體磁珠，以進(jìn)一步最小化瞬態(tài)電源電流。

　　PCB 設(shè)計(jì)建議

　　在有如此豐富的高質(zhì)量參考資料的背景下，為何還提醒讀者關(guān)注 PCB 布局建議？首先，不合理的 PCB 布局會(huì)使整個(gè)電路的信號(hào)完整性降級(jí)，并導(dǎo)致振鈴、振動(dòng)、過沖/下沖峰值和接地反彈等問題。其次，良好的 PCB 布局設(shè)計(jì)將提高 DAC 電路性能，并縮短整體設(shè)計(jì)時(shí)間。要遵循的一些關(guān)鍵性建議包括：

　　·         使用具有內(nèi)部接地層、數(shù)字和模擬電源層的多層電路板。這樣整個(gè)電路中的環(huán)路電流就會(huì)非常小。如有必要，請(qǐng)對(duì)模擬和數(shù)字返回路徑分別接地。

　　·         使用阻抗可控的走線設(shè)計(jì) PCB。走線的任何變化（例如寬度、殘端、拐角和分叉）都會(huì)導(dǎo)致不匹配的阻抗并導(dǎo)致信號(hào)失真。

　　·         考慮在高速數(shù)字信號(hào)走線上增加小型電阻器（10?-20 ?）的位置，以減緩上升時(shí)間。如果預(yù)期會(huì)出現(xiàn)接地反彈等問題，這將是一種很有用的技術(shù)。

　　·         確保具有快速邊緣的數(shù)字信號(hào)不會(huì)從模擬電路下經(jīng)過，并避免將那些走線放在模擬分離接地層上。

　　·         使時(shí)鐘及數(shù)據(jù)線路與模擬線路分開，并盡可能縮短距離（例如放置在組件端）。

　　·         如果模擬和數(shù)字走線必須經(jīng)過 PCB 上的同一位置（因電路密度所限），請(qǐng)使用“保護(hù)線”來防止噪聲耦合。

　　DAC 電路設(shè)計(jì)是件極富挑戰(zhàn)的事，正如 DAC 是大型電路的組成部分，電子設(shè)計(jì)工程師也是大型團(tuán)隊(duì)的組成之一，團(tuán)隊(duì)成員之間需要進(jìn)行良好的協(xié)作。因?yàn)榱己脜f(xié)作始終是團(tuán)隊(duì)成功的重要因素。關(guān)于這一點(diǎn)，最后的文章將介紹DAC發(fā)揮了重要作用的兩種主要應(yīng)用。