电压基准源在DAC中的应用

在数字世界与模拟世界交汇的关键点上，数模转换器（DAC）扮演着至关重要的角色。它将冰冷的数字代码转化为有温度、有幅度的模拟电压，驱动着从精确音频播放到高端科学仪器的一切。然而，DAC的精度并非凭空而来，它的“度量衡”标准核心，在于一个常被忽视的模块：电压基准源（Voltage Reference）。在超大规模混合信号集成电路中，电压基准源（Voltage Reference）的精度与稳定性直接决定了高分辨率数模转换器（DAC）的静态线性度与动态性能。

1. 为何高精度DAC对基准源如此“挑剔”？

(1) 并非所有的基准源都能满足高精度DAC的需求。它们往往有着严苛的要求：

(2) 极高的电源抑制比（PSRR）：DAC电路通常工作在有噪声的供电环境中（如数字电源的开关噪声）。优秀的基准源必须能像高效的过滤器一样，阻挡这些来自电源电压的干扰（纹波、毛刺），使自身产生的基准电压不受其波动影响。

(3) 出色的温漂特性：电子元器件对温度变化敏感。理想的基准源，其输出的基准电压应尽可能不受环境温度变化（温漂）的影响。这对于需要在宽温度范围内工作的设备（如工业、汽车、户外设备）至关重要。

(4) 强大的电流驱动与抗干扰能力：许多精密DAC采用开关电容阵列作为负载进行转换。这就要求基准源不仅提供精准的电压，还能在面对快速的电容充放电负载变化时，迅速响应并提供足够的电流（驱动力），同时维持电压的稳定。它还需要具备强大的抗干扰能力，确保内部电压不被外部噪声干扰。

2.  线性电压变换器的分类

根据工作原理和实现方式，线性电压变换器可以分为以下几类：

(1) 带隙基准；

(2) 齐纳基准；

(3) 串联型基准；

(4) 并联型基准；

(5) 超低温漂基准；

(6) 集成式基准。

3. 线性电压变换器的原理

图 1基本线性电压变换器

电压基准源是影响DAC电路精度的重要环节，高精度的DAC需要基准电压源有较高的电源抑制比和良好的温漂特性，而且由于负载为电容阵列，还要求有较高的电流驱动能力和抗干扰能力。本设计采用线性电压变换器来实现电压基准源电路。其主要特点是功率器件均工作在放大状态，因此具有稳定度高、可靠性好、成本较低的优点，适用于中小功率对电性能指标要求比较高的场合。如图 1所示线性电压交换器，可分为以下四个基本的电路模块：

(1) 基准电压源

基准电压源作为整个模块电路工作的基础，一般为带隙基准源。因为其能够在较低的电压下工作，提供准确的基准电压，温度和电源对其影响比较小。本设计的基准电源适用于不使用三极管和电阻的情况。

为了实现低功耗，本文选用的带隙基准源结构，如图 2带隙基准源电路原理图所示，该带隙电路结构没有放大器，也没有三极管和电阻，只采用了MOS管和二级管，结构简单，所需电流仅需要保证二极管的电压和电流具有指数关系，因此功耗很低。

图 2 带隙基准源电路原理图

(2) 误差放大器

误差放大器的主要功能是用以控制输出的电压值。其工作原理是通过Vp与基准电压Vief进行比较，来控制PMOS功率管的栅电压Vg，从而能够达到控制输出电压Vout到需要值的目的。

(3) 功率管

功率管的主要作用是提高误差放大器的电流驱动能力，来满足负载对电流的需求。因为即使误差放大器工作在低功耗的要求下，也应该具有输出大驱动电流的能力。

4. 结语

电压基准源是DAC性能的“锚点”，其精度、稳定性和噪声特性直接限制了DAC的实际表现。设计时需要根据DAC的位数、应用场景选择匹配的基准源，并通过电路设计优化充分发挥其性能。