電路功能與優(yōu)勢
利用電壓輸出DAC實現真正的16位性能不僅要求選擇適當的DAC，而且要求選擇適當的配套支持器件。針對精密16數模轉換應用，本電路使用AD5542A/AD5541A電壓輸出DAC、ADR421基準電壓源以及用作基準電壓緩沖的AD8675 超低失調運算放大器，提供了一款低風險解決方案。
基準電壓緩沖對于設計至關重要，因為DAC基準輸入的輸入阻抗與碼高度相關，如果DAC基準電壓源未經充分緩沖，將導致線性誤差。開環(huán)增益高達120 dB的AD8675已經過驗證和測試，符合本電路應用關于建立時間、失調電壓和低阻抗驅動能力的要求。
需要時，精密、低失調OP1177 可以用作可選的輸出緩沖器。
這一器件組合可以提供業(yè)界領先的16位分辨率、±1 LSB積分非線性(INL)和±1 LSB微分非線性(DNL)，可以確保單調性，并且具有低功耗、小PCB和高性價比等特性。
圖1. 精密DAC配置（簡化的原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）
電路描述
對于無誤差的理想DAC，輸出電壓與基準電壓相關，如下式所示：
其中D為載入DAC寄存器的十進制數據字，N為DAC的分辨率。
對于2.5 V基準電壓且N = 16，上述公式可簡化為下式：
這樣，在中間電平時VOUT為1.25 V，在滿量程時為2.5 V。
LSB大小為2.5 V/65,536 = 38.1 μV。
16位時，1 LSB也相當于滿量程的0.0015%，或者15 ppm FS。
基準電壓源ADR421（B級）的室溫初始精度為0.04%，相當于16位時的約27 LSB。此初始誤差可以通過系統校準消除。ADR421（B級）的溫度系數典型值為1 ppm/°C，最大值為3 ppm/°C。
假設使用理想基準電壓源（基準電壓誤差已通過系統校準消除），則AD5542A的最差情況單極性輸出電壓（包括誤差）可通過下式計算：
其中：
VOUT−UNI為單極性模式最差情況輸出。
D為載入DAC的碼。
VREF為施加于DAC的基準電壓（假設無誤差）。
VGE為增益誤差，單位伏特(V)。（注意，基準電壓緩沖的失調誤差必須包括在增益誤差中，因此為基準電壓緩沖選用的運算放大器必須具有低輸入失調電壓特性）。
VZSE 為零電平誤差（失調誤差），單位伏特(V)。（注意，可選輸出緩沖放大器的失調電壓會增加此誤差）
INL為DAC的積分非線性，單位伏特(V)。（注意，可選輸出緩沖放大器的非線性會增加此誤差）
室溫下，此電路的實測零電平誤差和增益誤差分別為±0.7 LSB和±2 LSB。在整個溫度范圍內（−40°C至+85°C），零電平誤差為±1.5 LSB，增益誤差為±3 LSB。這些測量結果是從AD5542A的VOUT直接獲得，沒有連接輸出緩沖器。
本電路采用電壓輸出DAC AD5542A，提供真16位INL和DNL。AD5541A/AD5542A的DAC架構為分段R-2R電壓模式DAC。采用這種配置，輸出阻抗與碼無關，而基準電壓源的輸入阻抗則與碼高度相關。因此，基準電壓緩沖的選擇對于碼相關基準電流的處理非常重要，如果DAC基準電壓緩沖不充分，可能會導致線性誤差。選擇配合精密電壓輸出DAC使用的基準電壓緩沖時，運算放大器的開環(huán)增益、失調電壓、失調誤差溫度系數和電壓噪聲也是重要的選擇指標。基準電壓電路中的失調誤差會引起DAC輸出端產生增益誤差。
本電路采用驅動/檢測配置（開爾文檢測）的AD8675運算放大器作為AD5542A的低阻抗輸出基準電壓緩沖。AD8675具有120 dB的開環(huán)增益，是一款精密、36 V、2.8 nV/√Hz運算放大器。其典型失調電壓為10 µV，典型溫漂小于0.2 µV/°C，噪聲為0.1 µV峰峰值（0 Hz至10 Hz），因而AD8675特別適合那些需要最小誤差源的應用。
AD5542A有兩種工作模式：緩沖模式和非緩沖模式。使用何種工作模式由具體應用及其建立時間、負載阻抗、噪聲等要求而定。可以選擇輸出緩沖器來優(yōu)化直流精度或快速建立時間。本電路所用的可選輸出放大器為高精度OP1177。DAC的輸出阻抗恒定（典型值6.25 kΩ），且與碼無關，但為了將增益誤差降至最小，輸出放大器的輸入阻抗應盡可能高。輸出放大器還應具有1 MHz或更高的3 dB帶寬。輸出放大器給系統增加了另一個時間常數，因此會延長輸出的建立時間。運算放大器的帶寬越寬，則DAC與放大器組合的有效建立時間越短。
圖1所示的器件組合實現了最小的PCB面積。AD5542A采用3 mm × 3 mm、16引腳LFCSP或16引腳TSSOP封裝。AD5541A采用3 mm × 3 mm、10引腳LFCSP或10引腳MSOP封裝。
請注意，AD5541A不包含基準電壓和地上的開爾文檢測線路、清零功能以及RFB 和 RINV電阻。
AD8675和ADR421采用8引腳MSOP或SOIC封裝，OP1177采用8引腳MSOP封裝。
可選輸出運算放大器為采用單位增益配置的OP1177，它包括一個與反相輸入端串聯的6.19 kΩ電阻。此電阻用于抵消偏置電流，并與AD5542A的輸出電阻相匹配，后者約為6.25 kΩ ± 20%。
測量結果表明，AD5542A/AD5541A是高精度、低噪聲電平設置應用的理想選擇。在這一高精度、高性能系統中，通過基準電壓源ADR421和基準電壓緩沖AD8675保持直流性能水平。測量直接在VOUT上進行，沒有連接可選的輸出緩沖器。
積分非線性和微分非線性測量
積分非線性(INL)誤差指實際DAC傳遞函數與理想傳遞函數的偏差，用LSB表示。差分非線性(DNL)誤差指實際步進大小與1 LSB的理想值之間的差異。圖1所示電路提供了16位分辨率，DNL和INL均為±1 LSB。圖2和圖3顯示了該電路的DNL和INL性能。
圖2. 微分非線性
圖3. 積分非線性
零電平誤差和增益誤差測量
室溫下，零電平誤差 (VZSE)和增益誤差(VGE) 的測量結果分別為±0.7 LSB和±2 LSB。在整個溫度范圍內（−40°C至+85°C），零電平誤差為±1.5 LSB，增益誤差為±3 LSB。
布局考慮
在任何注重精度的電路中，必須仔細考慮電路板上的電源和接地回路布局。包含本電路的印刷電路板(PCB)應將模擬部分與數字部分分離。如果該電路所在系統中有其它器件要求AGND至DGND連接，則只能在一個點上進行連接。該接地點應盡可能靠近AD5542A/AD5541A。本電路應該采用具有較大面積接地層和電源層的多層PCB。有關布局和接地的更多討論，請參考教程MT-031。
AD5542A/AD5541A的電源應使用10 μF和0.1 μF電容進行旁路。這些電容應盡可能靠近該器件，0.1 μF電容最好正對著該器件右上方。10 μF電容應為鉭珠型或陶瓷型電容。0.1 μF電容必須具有低等效串聯電阻(ESR)和低等效串聯電感(ESL)，普通陶瓷型電容通常具有這些特性。
針對內部邏輯開關引起的瞬態(tài)電流所導致的高頻，該0.1 μF電容可提供低阻抗接地路徑。有關正確去耦技術的更多信息，請參考教程MT-101。
電源走線應盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺效應。時鐘和其它快速開關的數字信號應通過數字地將其與電路板上的其它器件屏蔽開。
常見變化
AD8628 是另一款適合用作本電路中基準電壓緩沖的優(yōu)秀運算放大器，它提供低失調電壓和超低偏置電流，開環(huán)增益為125 dB。ADR421 (2.5 V)可以用ADR423(3.00 V)或ADR434 (4.096 V)代替，二者均為低噪聲基準電壓源，與ADR421同屬一個基準電壓源系列。超低噪聲基準電壓源ADR441和ADR431 也是合適的替代器件，提供2.5 V輸出。
AD8661是可選輸出緩沖器的另一個不錯的選擇。它是一款CMOS運算放大器，采用了ADI公司的DigiTrim®專利技術，可實現低失調電壓，并具有低輸入偏置電流和寬信號帶寬等特性。
AD8605或AD8655（均采用+2.7 V至+5.5 V單電源供電）也是可以考慮的選擇，不過由于所有軌到軌運算放大器都有的輸出級限制，在近0 V輸出時具有非線性（參見教程MT-035）。
AD5542A的內置電阻RFB and RINV，可以配合外部運算放大器提供雙極性電壓輸出。（更多信息請參考AD5542A數據手冊 。）