幾乎沒(méi)有紋波的快速穩(wěn)定同步PWM-DAC濾波器

　　一種實(shí)現(xiàn)高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換的廉價(jià)方法是把微控制器PWM輸出與精確模擬電壓參考、CMOS開(kāi)關(guān)、模擬濾波結(jié)合起來(lái)（參考文獻(xiàn)1）。然而，PWM-DAC設(shè)計(jì)帶來(lái)了一個(gè)很大的問(wèn)題：如何充分抑制開(kāi)關(guān)的輸出中不可避免的較大AC紋波分量？當(dāng)人們?yōu)镈AC控制使用典型的16比特微控制器PWM外設(shè)時(shí)，紋波問(wèn)題變得特別嚴(yán)重。這類高分辨率PWM功能通常具有很長(zhǎng)的周期，這是因?yàn)?6比特計(jì)時(shí)器和比較器較大的216倒計(jì)數(shù)模。這個(gè)情況導(dǎo)致AC頻率分量?jī)H為100Hz或200Hz，速率低。對(duì)于這類低紋波頻率，如果人們采用普通的模擬低通濾波把紋波抑制在16比特，即-96dB噪聲電平，那么DAC穩(wěn)定時(shí)間就可能變?yōu)橐徽牖蚋L(zhǎng)。

　　圖1中的電路避免了低通濾波的多數(shù)問(wèn)題，這是由于它在反饋環(huán)路中結(jié)合了差分積分器A1和采樣與保持放大器A2，該環(huán)路與圖2中的PWM周期T2同步工作。如果使積分器時(shí)間常量等于PWM周期時(shí)間，即R1×C1=T2，并且如果采樣電容C2等于保持電容C3，則濾波器就能恰好在一個(gè)PWM周期時(shí)間內(nèi)獲取并穩(wěn)定在某個(gè)新DAC值。雖然這個(gè)方法幾乎未使得到的DAC嚴(yán)格地算“高速”，但0.01s穩(wěn)定時(shí)間仍比1s穩(wěn)定時(shí)間好100倍。穩(wěn)定時(shí)間的這種改善沒(méi)有對(duì)紋波衰減產(chǎn)生不利影響，這與速度一樣重要。同步濾波器的紋波抑制在理論上是無(wú)限的，實(shí)踐中的唯一限制就是從S2進(jìn)入C3的非零電荷注入。選擇低注入電荷開(kāi)關(guān)作為S2，并選擇大約1mF電容作為C3，就很容易帶來(lái)微伏級(jí)的紋波振幅。

　　可選的反饋分壓器R2/R3借助公共電壓參考，在DAC輸出范圍方面提供了靈活性。例如，如果R2=R3，則5V參考將帶來(lái)0V~10V輸出范圍。這種范圍調(diào)整方法的一個(gè)額外優(yōu)點(diǎn)是，輸出紋波獨(dú)立于參考放大。

參考文獻(xiàn)

1. Woodward, Steve, “Combine two 8-bit outputs to make one 16-bit DAC,” EDN, Sept30, 2004, pg85.