數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成開環(huán)、閉環(huán)和“設(shè)定后便不需再過(guò)問(wèn)”系統(tǒng)的核心

1、數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成開環(huán)、閉環(huán)和“設(shè)定后 便不需再過(guò)問(wèn)”系統(tǒng)的核心摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大 器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程 電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用 ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn) 證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于0. 5 dB，采用1. 8 V電源，TSMC 0 18卩m CMO工藝 庫(kù)仿真，功耗小于21 mV，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞： Butte 當(dāng)選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)時(shí)，設(shè)計(jì)師可以從種類繁多的IC中選擇。DAC可以 針對(duì)具

2、體的應(yīng)用劃分成很多不同類別。不過(guò)，DAC的劃分也可以簡(jiǎn)化，僅分成DC或低速調(diào)節(jié)所需的DAC和產(chǎn)生高速波形所需的DAC本文專注于低速應(yīng)用 所需的DAC,而無(wú)論該應(yīng)用是低分辨率還是高分辨率、是粗略調(diào)節(jié)還是精細(xì)調(diào) 節(jié)。就選擇低速 DAC 而言，決定設(shè)計(jì)是閉環(huán)、開環(huán)或“設(shè)定后便不需再過(guò)問(wèn)”的系 統(tǒng)是很重要。每一種設(shè)計(jì)都需要一個(gè)具某些關(guān)鍵性能規(guī)格的DAC。閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)包括一條反饋通路，以檢測(cè)和校準(zhǔn)任何誤差。傳感器根據(jù)諸如伺服電 動(dòng)機(jī)、流量閥或溫度檢測(cè)單元等的物理參數(shù)監(jiān)視輸出。然后傳感器將數(shù)據(jù)饋送 回控制器，而控制器則利用這個(gè)信息決定是否需要校正。DAC和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是位于閉環(huán)系統(tǒng)核心的關(guān)鍵組

3、件。DAC用在前饋通路 中以調(diào)節(jié)系統(tǒng)，ADC用在反饋通路中，以監(jiān)視這些調(diào)節(jié)的效果。它們一起施加 和檢測(cè)模擬控制信號(hào)，以真實(shí)地調(diào)節(jié)它們控制的參數(shù)。電動(dòng)機(jī)控制是這類閉環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)例子，如圖 1 中詳細(xì)說(shuō)明的那樣。首先，將 一個(gè)想要的輸出 ( 設(shè)定點(diǎn) ) 加到控制器上，控制器對(duì)這個(gè)輸出和反饋信號(hào)進(jìn)行 比較。如果需要校正，那么控制器會(huì)調(diào)節(jié) DAC 的輸入編碼，然后 DAC 在其輸 出端產(chǎn)生一個(gè)模擬電壓。該 DAC 的輸出電壓通過(guò)一個(gè)功率放大器放大，以給電 動(dòng)機(jī)提供所需的驅(qū)動(dòng)電流。在這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的下一級(jí)，用一個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。旋轉(zhuǎn)信號(hào)是 該閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)際輸出或可變過(guò)程。ADC將該轉(zhuǎn)速計(jì)的輸出

4、數(shù)字化，并將數(shù)據(jù) 發(fā)送到控制器，在控制器中，由算法決定是否需要在 DAC 輸出以及最終的電動(dòng) 機(jī)上進(jìn)行任何校正。采用這種方式，誤差被降到可接受的水平。理想情況下， 反饋允許閉環(huán)系統(tǒng)消除所有誤差，從而有效地限制噪聲、溫度、外 力或其他不 想要的信號(hào)等任何誤差來(lái)源的影響。閉環(huán)系統(tǒng)的性能取決于準(zhǔn)確的反饋通路，包括傳感器和ADC本質(zhì)上，反饋通路補(bǔ)償了前饋通路的誤差。因?yàn)?DAC在前饋通路中，其積分非線性（INL）誤 差就自動(dòng)得到了補(bǔ)償。INL誤差是DAC輸出端實(shí)際的傳遞函數(shù)與理想傳遞函數(shù) 之間的偏差。不過(guò)，DAC必須有良好的差分非線性（DNL），并且必須相對(duì)于數(shù) 據(jù)表中規(guī)定的位數(shù)呈單調(diào)性。DNL誤差是

5、DAC模擬輸出端的實(shí)際電壓變化與理 想電壓步進(jìn)（等于DAC輸入編碼中1個(gè)最低有效位（LSB）步進(jìn)）之差。單調(diào) 的DAC意味著，模擬輸出始終隨著數(shù)字編碼的提高而提高或保持與其相同（反之亦然）。始終大于-1LSB的DNL規(guī)格意味著單調(diào)性。圖2顯示DAC模擬輸 出電壓相對(duì)于DAC輸入編碼的傳遞函數(shù)。如果DAC不是單調(diào)的，那么會(huì)存在一個(gè)負(fù)反饋?zhàn)兂烧答伒膮^(qū)域。這可能導(dǎo)致 振蕩，而振蕩最終可能毀壞電動(dòng)機(jī)。圖1:閉環(huán)系統(tǒng)舉例圖2： DNL傳遞函數(shù)開環(huán)系統(tǒng) 開環(huán)系統(tǒng)沒(méi)有反饋通路。這意味著，系統(tǒng)自身必須是準(zhǔn)確的。開環(huán)控制對(duì)于良 好定義的系統(tǒng)是有用的，在這類系統(tǒng)中，輸入編碼及其在負(fù)載上所導(dǎo)致行動(dòng)之 間的關(guān)系是已

6、知的。如果負(fù)載不是非?？深A(yù)測(cè)的，那么最好使用閉環(huán)控制。開環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)例子如圖3所示。在這個(gè)例子中，DAC驅(qū)動(dòng)凌力爾特穩(wěn)壓器 LT3080的SET電壓引腳。SET引腳是誤差放大器的輸入和輸出電壓的調(diào)節(jié)設(shè) 定點(diǎn)。LT3080的輸出電壓范圍為0V至絕對(duì)最大額定輸出電壓。DAC的分辨率決定SET引腳調(diào)節(jié)的步進(jìn)大小。例如，一個(gè)具有 5V基準(zhǔn)的8 位DAC有5V / 28 = 19.5mV 的LSB。一個(gè)具有同樣 5V 基準(zhǔn)的12 位DAC 有1.2mV的LSB，一個(gè)16位DAC有76卩V的LSB。這意味著，就一個(gè)理想 DAC而言，數(shù)字編碼每增大一次，模擬輸出都應(yīng)該增加 76卩V。開環(huán)系統(tǒng)中的其他重要參數(shù)包括偏移、增益誤差、基準(zhǔn)電壓誤差以及這些參數(shù) 隨時(shí)間和溫度變化的穩(wěn)定性。INL尤其重要，因?yàn)榕c閉環(huán)系統(tǒng)相比，DAC的 INL對(duì)系統(tǒng)的總體線性度有直接影響。圖3 :開環(huán)系統(tǒng)舉例“設(shè)定后便不需再過(guò)問(wèn)”的系統(tǒng)DAC線性度起到重要作用的第三種應(yīng)用是“設(shè)定后便不需再過(guò)問(wèn)”的系統(tǒng)。在 這類系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)或校準(zhǔn)只進(jìn)行一次，也許在制造時(shí)或安裝時(shí)。因此，這類系 統(tǒng)一開始是一 種閉環(huán)系統(tǒng)，然后又變成開環(huán)的。所以，與初始準(zhǔn)確度（偏移、增益誤差、INL）有關(guān)的任何參數(shù)都不關(guān)鍵，因?yàn)檫@些參數(shù)在調(diào)節(jié)時(shí)都得到了補(bǔ) 償。但是一旦反饋去掉，穩(wěn)定性就變得很關(guān)鍵了。表明穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)表性能規(guī) 格包括：增益誤差漂移、失調(diào)