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快速PWM DAC没有纹波

2018-07-26 Stephen Woodward 阅读:
快速PWM DAC没有纹波
PWM DAC以一贯的简易性在设计师心目中占一席之地,但响应时间慢和PWM纹波问题却限制了其使用价值和设计潜能。抑制PWM纹波的常用方法是使用RC低通滤波器,但它永远无法完全消除纹波,并会使输出稳定时间极其缓慢。本文示出的同步采样&保持方法克服了这些缺点。

PWM DAC以其一贯的简易性而在设计师的心目中占有一席之地,但响应时间慢和PWM纹波问题却限制了其使用价值和设计潜能。抑制PWM纹波的常用方法是使用RC低通滤波器,但它永远无法完全消除纹波,并且会使输出稳定时间极其缓慢。图1示出的一种不同的方法——同步S&H方法(采样&保持),克服了这些缺点。JR8ednc

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图1:S1的采样-保持操作可以消除PWM纹波。JR8ednc

本设计实例利用PWM纹波固有的周期性特性,它在VC1 波形的任何同步选择点处都具有完全相同的电压,如图2所示。因此,如果VC1 被同步采样,比如通过图1的模拟开关S1和传输电容C2,然后保持(也就是采样-保持),即可通过C3产生输出电压Vout,那么无论VC1的AC分量有多大,其结果都将是平滑的无纹波Vout。这一原理可通过图2中的DAC动态行为来说明。JR8ednc

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图2:DAC在15个PWM周期内稳定到8位精度。JR8ednc

此外,由于同步采样消除了纹波,与RC1时间常数的长短无关,所以RC1可以非常短。这可以显著降低稳定时间,如图1所示,其中 RC1 =100 µs = Tc = PWM周期,不到15•Tc = 1.5 ms即可达到稳定(8位精度)。但是,就像所有的好东西一样,我们知道它也必然有一定的局限。因此,现在问题就变成:RC1能够在多短的时间内与适当的DAC功能保持一致,以及有哪些设计因素导致了其局限性?JR8ednc

JR8ednc
仔细观察VC1波形可以得出答案:Vout是采样的电压,它不是通过VC1的平均值、而是通过纹波最大值计算得出。因此:JR8ednc

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其中...JR8ednc

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我们用DAC Vout函数对非线性部分求和,使得DAC传递函数也呈非线性,从而导致积分非线性(INL)误差,对于图2中示例电路的常数,误差可能达到满量程的8.3%。对于许多应用来说,这么大的INL误差是不可接受的。幸运的是,有一个简单的(软件)修复:对DAC设置进行数字预加重。例如,若使用图1中的常量,其中......JR8ednc

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如果我们更改TpJR8ednc

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那么,Vripple 项将从Vout中消失,8位INL即可恢复。JR8ednc

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图3:整流纹波引起的INL误差。JR8ednc

值得一提的是,可选的Vs和S2通过精确的基准参考 (Vs)产生RC1输入波形,从而避免了在Vout电压上叠加逻辑电源的噪声和恶意调制(叠加到PWM逻辑信号上)。当然,如果你的应用对精度要求不高,也可以省略这些。让R直接与PWM信号相连即可。JR8ednc

正如我一开始所说的,一贯的简易性是PWM DAC的主要魅力之一!JR8ednc

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图4:三种不同输出设置下的DAC响应。JR8ednc

原文刊登在EDN美国网站,参考链接Fast PWM DAC has no rippleJR8ednc

《电子技术设计》2018年8月刊版权所有,禁止转载。JR8ednc
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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Stephen Woodward
W .Stephen Woodward是仪表、传感器和计量学自由顾问,是EDN设计实例栏目最高产且最富创意的作者之一。
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