通過模擬減法消除 PWM DAC 紋波(2)

該電路的基本工作原理是PWM 紋波信號(hào)電流與 PWM 信號(hào)電流的 AC 耦合（通過 C2）逆向無源求和（通過 R1 和 R2），然后在 DAC 輸出電容器 C1 中對(duì)求和進(jìn)行積分。由此產(chǎn)生的紋波分量的部分抵消允許足夠的紋波衰減，同時(shí)使用比單級(jí) RC 濾波器所需的濾波器時(shí)間常數(shù)短得多的時(shí)間常數(shù)。更快的響應(yīng)和更短的穩(wěn)定時(shí)間是回報(bào)。

用于過濾和衰減 PWM DAC 輸出紋波，十多年來我發(fā)現(xiàn)它非常有用。

它通過 PWM 信號(hào)與其交流耦合逆信號(hào)的無源求和來工作，目的是在不影響直流分量的情況下衰減不需要的交流紋波信號(hào)分量（圖 1 ）。

圖 1原始紋波減法拓?fù)洹?br/>

然而，關(guān)于這個(gè)想法如何運(yùn)作的一些更精細(xì)的細(xì)節(jié)并沒有在初的短文中得到充分探討。這是一些被省略的內(nèi)容。

該電路的基本工作原理是PWM 紋波信號(hào)電流與 PWM 信號(hào)電流的 AC 耦合（通過 C2）逆向無源求和（通過 R1 和 R2），然后在 DAC 輸出電容器 C1 中對(duì)求和進(jìn)行積分。由此產(chǎn)生的紋波分量的部分抵消允許足夠的紋波衰減，同時(shí)使用比單級(jí) RC 濾波器所需的濾波器時(shí)間常數(shù)短得多的時(shí)間常數(shù)。更快的響應(yīng)和更短的穩(wěn)定時(shí)間是回報(bào)。

然而，這種限制其速度的電流模式方案的一個(gè)缺點(diǎn)是，在 PWM 輸入占空比發(fā)生階躍變化后，R1 和 R2 電流的符號(hào)相反但幅度相等，因此它們的總和必須暫時(shí)為零. 因此，在 C1 沒有任何積分的情況下，DAC 輸出信號(hào)無法開始響應(yīng)階躍，直到 C2 開始充電，減少通過 R2 的電流，使 R1 和 R2 的電流不相等，并為 C1 提供除零以外的值以進(jìn)行積分. 這種不需要的空值間隔在圖 2中顯示為輸出波形上升沿中明顯的時(shí)間延遲。

這種對(duì) DAC 響應(yīng)時(shí)間的限制似乎是電流模式求和拓?fù)洳豢杀苊獾娜秉c(diǎn)。雖然它仍然比單級(jí) RC 濾波器快（很多），但它可能不如它可以/應(yīng)該的那么快。

圖 2顯示前沿延遲的電流模式紋波減法響應(yīng)。

于是，我開始疑惑。如果首先計(jì)算紋波和 PWM電壓而不是電流，然后相互減去以實(shí)現(xiàn)紋波抵消，會(huì)發(fā)生什么情況？能否從初的想法中榨取更多的性能，同時(shí)又不失去初使它具有吸引力的簡單性？  圖 3的拓?fù)渚褪谴鸢浮?/p>

圖 3新型電壓模式紋波減法電路

新電路的運(yùn)行依賴于串聯(lián)的電容器 C1（產(chǎn)生 PWM 直流電壓分量）和 C2（提供反向紋波分量）。電壓總和是串聯(lián)電容器連接所固有的，因此，與 2017 年的電路一樣，從直流輸出中減去交流紋波。事實(shí)證明，如果 R1C1 時(shí)間常數(shù)剛好等于 2Tpwm 或 PWM 周期的兩倍——在這個(gè)具有 1MHz 時(shí)鐘的 8 位 PWM 示例中僅為 512?s，則紋波衰減足以滿足 8 位分辨率。更快的時(shí)鐘當(dāng)然會(huì)允許更短的時(shí)間常數(shù)。

請(qǐng)注意，新濾波電路的元件總數(shù)與原來的完全相同：一個(gè)反相器（例如，1/6 SN74HC04）、兩個(gè)電阻器和兩個(gè)電容器。

圖 4顯示無前沿延遲的電壓模式階躍響應(yīng)。

圖 4顯示了它的階躍響應(yīng)，現(xiàn)在在 T = 0 時(shí)立即開始，這與圖 2 的電流模式求和延遲不同，在約 16 個(gè) PWM 周期 = 約 4ms 內(nèi)產(chǎn)生 8 位穩(wěn)定 Tpwm。

圖 5電流模式（紅色）與電壓模式（綠色）響應(yīng)的比較。

圖 5比較了原始電流模式設(shè)計(jì) (~23 Tpwm) 與新電壓模式版本 (~16 Tpwm) 的 8 位階躍建立時(shí)間。

響應(yīng)速度提高 44% (23/16) 似乎是值得的性能改進(jìn)，特別是考慮到相關(guān)的電路復(fù)雜性和成本增加 0%。

應(yīng)用于原始電流模式拓?fù)涞脑敿?xì)說明（例如，利用更快的時(shí)鐘速率、精密模擬開關(guān)和電壓參考來提高精度、噪聲和準(zhǔn)確度）當(dāng)然將直接應(yīng)用于這個(gè)新的電壓模式版本。