數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本原理及DAC類型簡介

數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，完成這個(gè)轉(zhuǎn)換的器件叫做數(shù)模轉(zhuǎn)換器。本文將介紹數(shù)模轉(zhuǎn)換器的概念、原理、主要技術(shù)指標(biāo)以及不同類型DAC特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的概念

經(jīng)數(shù)字系統(tǒng)處理后的數(shù)字量，有時(shí)又要求再轉(zhuǎn)換成模擬量以便實(shí)際使用，這種轉(zhuǎn)換稱為“數(shù)模轉(zhuǎn)換”。完成數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器， 簡稱 DAC(Digital to Analog Converter)。

DAC的工作原理框圖

2、DAC 中的基本概念

分辨率

DAC中的分辨率定義為在不同的輸入數(shù)字碼值下所有可能輸出的模擬電平的 個(gè)數(shù)，N位分辨率意味著DAC能產(chǎn)生2 N −1 個(gè)不同的模擬電平，一般情況下它就指輸入 數(shù)字碼的位數(shù)。

失調(diào)和增益誤差

失調(diào)定義為當(dāng)輸入0碼值時(shí)實(shí)際輸出的模擬信號(hào)的值，增益誤差定 義為當(dāng)扣除失調(diào)后理想的滿量程輸出的值和實(shí)際輸出的值的差，如圖所示。

DAC的失調(diào)和增益誤差

精度

DAC中的精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度定義為理想輸出和實(shí)際輸出之 間的差，包括各種失調(diào)和非線性誤差在內(nèi)。相對(duì)精度定義為最大積分非線性誤差。精度表示為滿量程的比例，用有效位數(shù)來表示。例如8-bit 精度表示DAC的誤差小于DAC輸出滿量程的 1/8 2 。注意精度這個(gè)概念和分辨率不相關(guān)。一個(gè)12-bit 分辨率的DAC可能精度只有10-bit;而一個(gè)10-bit分辨率的DAC可能有12-bit的精度。精 度大于分辨率意味著DAC的傳輸響應(yīng)能夠被比較精確地控制。

積分線性誤差(INL-Integral Nonlinearity)

當(dāng)除去失調(diào)和增益誤差后，積分線性誤差就定義為實(shí)際輸出傳輸特性曲線對(duì)理想傳輸特性曲線(一條直線)的偏離。如圖所示。

DAC的積分和微分線性誤差

微分線性誤差(DNL-Differential Nonlinearity)

在理想的DAC中，每次模擬輸 出變化最小為1LSB，微分線性誤差定義為每次模擬輸出變化最小時(shí)對(duì)1LSB的偏離(將增 益誤差和失調(diào)除外)。我們定義的DNL是對(duì)每個(gè)數(shù)字輸入碼值而言的，有時(shí)也有用最大 的DNL來定義整個(gè)DAC的DNL。理想的DAC對(duì)于每個(gè)數(shù)字輸入其微分線性誤差均為0， 而一個(gè)具有最大DNL為0.5LSB的DAC的每次最小變化輸出在0.5LSB到1.5LSB之間。如圖DAC的積分和微分線性誤差所示。

抖動(dòng)能量(Glitch Impulse Area) 輸入信號(hào)變化以后在輸出端出現(xiàn)的抖動(dòng)下的 最大面積。

建立時(shí)間(Settling Time) 在最終值的一個(gè)特定的誤差范圍之內(nèi)，輸出經(jīng)歷滿 幅轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。

單調(diào)性 一個(gè)單調(diào)的DAC指隨著輸入數(shù)字碼值增加輸出模擬電平一直增加DAC。如果 最大的DNL控制在0.5LSB以內(nèi)，那么DAC的單調(diào)性自然能得到保證。

偽動(dòng)態(tài)范圍(SFDR) SFDR就是Spurious Free Dynamic Range，即無噪聲和諧波的動(dòng)態(tài)范圍。噪聲和諧波都稱為偽信號(hào)(Spurious)。

3 數(shù)模轉(zhuǎn)換原理

將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。

其中

為二進(jìn)制數(shù)按位權(quán)展開轉(zhuǎn)換成的十進(jìn)制數(shù)值。

4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成及不同類型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)

DAC 主要由數(shù)字寄存器、模擬電子開關(guān)、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、求和運(yùn)算放大 器和基準(zhǔn)電壓源(或恒流源)組成。用存于數(shù)字寄存器的數(shù)字量的各 位數(shù)碼，分別控制對(duì)應(yīng)位的模擬電子開關(guān)，使數(shù)碼為 1 的位在位權(quán) 網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與其位權(quán)成正比的電流值，再由運(yùn)算放大器對(duì)各電流值求和，并轉(zhuǎn)換成電壓值。

根據(jù)位權(quán)網(wǎng)絡(luò)的不同，可以構(gòu)成不同類型的 DAC，如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) DAC、R–2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC 和單值電流型網(wǎng)絡(luò) DAC 等。 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 的轉(zhuǎn)換精度取決于基準(zhǔn)電壓VREF，以及模擬電子開 關(guān)、運(yùn)算放大器和各權(quán)電阻值的精度。它的缺點(diǎn)是各權(quán)電阻的阻值都 不相同，位數(shù)多時(shí)，其阻值相差甚遠(yuǎn)，這給保證精度帶來很大困難， 特別是對(duì)于集成電路的制作很不利，因此在集成的 DAC 中很少單獨(dú)使用該電路。

5 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

DAC 的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度：轉(zhuǎn)換精度 在 DAC 中一般用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。

(1) 分辨率

一般用 DAC 的位數(shù)來衡量分辨率的高低，因?yàn)槲粩?shù)越多，其輸出電 壓vO的取值個(gè)數(shù)就越多(2n 個(gè))，也就越能反映出輸出電壓的細(xì)微變化，分辨能力就越高。

此外，也可以用 DAC 能分辨出來的最小輸出電壓 1 LSB 與最大輸出 電壓 FSR 之比定義分辨率。即

該值越小，分辨率越高。

(2) 轉(zhuǎn)換誤差

轉(zhuǎn)換誤差是指實(shí)際輸出的模擬電壓與理想值之間的最大偏差。常用這 個(gè)最大偏差與 FSR 之比的百分?jǐn)?shù)或 若干個(gè) LSB 表示。實(shí)際上它是三種誤差的綜合指標(biāo)。

(3) 轉(zhuǎn)換速度

轉(zhuǎn)換速度一般由建立時(shí)間決定。從輸入由全0 突變?yōu)槿? 時(shí)開始，到 輸出電壓穩(wěn)定在 FSR±½ LSB 范圍(或以 FSR±x%FSR 指明范圍)內(nèi) 為止，這段時(shí)間稱為建立時(shí)間，它是DAC 的最大響應(yīng)時(shí)間，所以用它衡量轉(zhuǎn)換速度的快慢。

6 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成

DAC 主要由數(shù)字寄存器、模擬電子開關(guān)、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、求和運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源(或恒流源)組成。用存于數(shù)字寄存器的數(shù)字量的各 位數(shù)碼，分別控制對(duì)應(yīng)位的模擬電子開關(guān)，使數(shù)碼為 1 的位在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與其位權(quán)成正比的電流值，再由運(yùn)算放大器對(duì)各電流值求和，并轉(zhuǎn)換成電壓值。

根據(jù)位權(quán)網(wǎng)絡(luò)的不同，可以構(gòu)成不同類型的 DAC，如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) DAC、R–2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC 和單值電流型網(wǎng)絡(luò) DAC 等

7 DAC 的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電阻型：

結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1所示的是一個(gè)R-2R階梯網(wǎng)絡(luò)型的轉(zhuǎn)換器。其優(yōu)點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)很好的線性度，由于所有的電流源都是等值的，我們可以用特殊的附加技術(shù)使它們間 誤差較小，與電阻分壓相比其結(jié)構(gòu)簡單得多。缺點(diǎn)是電阻總是非線性的，還包含著和信 號(hào)有關(guān)的寄生電容，要做到完全匹配較難。同時(shí)速度受到輸出緩沖器的限制，速度做不到很高。

圖1 電阻型DAC的結(jié)構(gòu)圖

電容型：

結(jié)構(gòu)如圖2所示。最高位的電容CN 是最低位電容C1的 1 2N− 倍。優(yōu)點(diǎn)是功耗較小， 匹配精度比電阻高。主要的限制因素是電容的不匹配，開關(guān)的導(dǎo)通電阻，較大RC延遲 以及放大器有限帶寬對(duì)DAC速度的影響。電荷分配型DAC的一個(gè)主要缺點(diǎn)是CMOS工 藝中的電容實(shí)現(xiàn)起來要占很大的芯片面積。最后由于CMOS工藝中的電容本質(zhì)是非線性 的，總的DAC的線性度將受到抑制。適用于中寬帶高精度。

圖2 電容型DAC的結(jié)構(gòu)圖

電流型：

結(jié)構(gòu)如圖3所示。其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)精度小于10位時(shí)能將面積做得很小，速度不受放大 器帶寬和較大RC延遲的限制，可達(dá)到很高的速度，由于所有的電流都直接流向輸出端， 所以能量的使用效率很高，且容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是對(duì)器件不匹配性的敏感和有限的電流源輸出阻抗。適合高速寬帶的要求。

輸出時(shí)也可以不采用運(yùn)算放大器，直接利用負(fù)載電阻將電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出，如圖4所示。這種形式使得DAC的速率可以不受運(yùn)放帶寬的限制。

圖3 電流型DAC的結(jié)構(gòu)圖

圖4 輸出直接利用負(fù)載電阻進(jìn)行轉(zhuǎn)換