基本DAC架構(gòu)：分段DAC

時(shí)間：2021-09-24 13:48:00

關(guān)鍵字： DAC ADI 電流開關(guān) 鎖存器

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[導(dǎo)讀]當(dāng)我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)具有特定性能的DAC時(shí)，很可能沒有任何一種架構(gòu)是理想的。這種情況下，可以將兩個(gè)或更多DAC組合成一個(gè)更高分辨率的DAC，以獲得所需的性能。

分段DAC

當(dāng)我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)具有特定性能的DAC時(shí)，很可能沒有任何一種架構(gòu)是理想的。這種情況下，可以將兩個(gè)或更多DAC組合成一個(gè)更高分辨率的DAC，以獲得所需的性能。這些DAC可以是同一類型，也可以是不同類型，各DAC的分辨率無需相同。

原則上，一個(gè)DAC處理MSB，另一個(gè)DAC處理LSB，其輸出以某種方式相加。這一過程稱為“分段”，這些更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)稱為“分段DAC”。有許多不同類型的分段DAC，本指南不可能逐一說明，但會(huì)介紹其中的幾種。

圖1顯示了兩類分段電壓輸出DAC。圖1A中的架構(gòu)有時(shí)稱為Kelvin-Varley分壓器，由兩個(gè)或更多“串DAC”組成。第一級(jí)與第二級(jí)之間存在緩沖器，因此第二個(gè)串DAC不會(huì)加載第一個(gè)串DAC，該串中的電阻值無需與另一個(gè)串中的電阻值相同。然而，各串中的所有電阻必須彼此相等，否則DAC將不是線性的。示例的第一級(jí)和第二級(jí)均為3位，但為了具有普遍意義，我們稱第一(MSB)級(jí)的分辨率為M位，第二(LSB)級(jí)的分辨率為K位，總分辨率為N = M + K位。MSB DAC具有2M個(gè)等值電阻，LSB DAC具有2K個(gè)等值電阻。

基本DAC架構(gòu)：分段DAC

圖1：分段式電壓-輸出DAC

當(dāng)然，緩沖放大器具有失調(diào)，這可能會(huì)在緩沖分段串DAC中造成非單調(diào)性。在緩沖Kelvin-Varley分壓器緩沖器的更簡單配置中(圖1A)，緩沖器A總是“低于”(電位低于)緩沖器B，LSB串DAC上標(biāo)“A”的額外抽頭是不必要的。數(shù)據(jù)解碼電路僅為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)編碼器。然而，在此配置中，緩沖器失調(diào)可能會(huì)造成非單調(diào)性。

但是，如果將MSB串DAC的解碼電路做得更復(fù)雜一點(diǎn)，使得緩沖器A只能連接到MSB串DAC標(biāo)“A”的抽頭，緩沖器B只能連接到標(biāo)“B”的抽頭，則緩沖器失調(diào)將無法造成非單調(diào)性。當(dāng)然，LSB串DAC解碼必須改變方向, 緩沖器需要跳躍連接到另一端，LSB串DAC的抽頭A和B不需要交替，但這需要略微復(fù)雜一點(diǎn)的邏輯，而性能的提高證明這樣做是值得的。

也可以不使用第二個(gè)電阻串，而是使用一個(gè)二進(jìn)制DAC來產(chǎn)生三個(gè)LSB，如圖1B所示。制造極高分辨率的R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)非常困難，更確切地說，很難將其調(diào)整為單調(diào)性。因此，常見的情況是LSB使用由梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，2到5個(gè)MSB則使用其它結(jié)構(gòu)來合成高分辨率DAC。圖1B所示的電壓輸出DAC由一個(gè)3位串DAC和一個(gè)3位緩沖電壓模式梯形電阻網(wǎng)絡(luò)組成。

基本DAC架構(gòu)：分段DAC

圖2：分段無緩沖串DAC使用專利架構(gòu)

無緩沖的分段串DAC架構(gòu)如圖2所示。在原理上，這種形式更巧妙，并且可以通過CMOS工藝制造(它能制造電阻和開關(guān)，但不能制造放大器)，因此也更便宜。這種架構(gòu)本身即具備單調(diào)性。

本例中，兩個(gè)串中的電阻必須等值，唯一的例外是MSB串中的頂端電阻必須較小(其它電阻值的1/2K)，此外LSB串具有2K – 1個(gè)電阻，而不是2K個(gè)。由于沒有緩沖器，LSB串看起來像是與它切換并加載的MSB串中的電阻并聯(lián)，這就使得該MSB電阻上的電壓降低LSB串 DAC的1 LSB，而這正是所需要的結(jié)果。由于無緩沖，此DAC的輸出阻抗隨著數(shù)字代碼的改變而變化。

為了更好地了解這一巧妙的原理，對(duì)于圖2所示的由兩個(gè)3位串DAC組成的6位分段DAC，我們計(jì)算并標(biāo)示出了各抽頭的實(shí)際電壓。建議讀者將第二個(gè)串DAC連接到第一個(gè)串DAC中的任何其它電阻兩端，完成這一簡單的分析過程并驗(yàn)證結(jié)果。關(guān)于無緩沖分段串DAC的詳細(xì)數(shù)學(xué)分析，請(qǐng)參閱ADI公司的Dennis Dempsey和Christopher Gorman于1997年申請(qǐng)的相關(guān)專利(參考文獻(xiàn)1)。

適合視頻、通信和其它高頻重構(gòu)應(yīng)用的極高速DAC常常采用完全解碼電流源陣列來構(gòu)建，兩或三個(gè)LSB可以使用二進(jìn)制加權(quán)電流源。此類DAC在高頻時(shí)的失真非常低，這一點(diǎn)極其重要，而且設(shè)計(jì)中還有幾個(gè)重要問題需要考慮。

首先，電流不是接通或關(guān)閉，而是被導(dǎo)向一個(gè)地方或另一個(gè)地方。在高速運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉電流常常會(huì)引起感性尖峰，由于電容充電，它一般需要比電流導(dǎo)向更長的時(shí)間。

其次，芯片上開關(guān)電流所需的電壓變化應(yīng)盡可能小。電壓變化會(huì)導(dǎo)致更多電荷流入雜散電容，電荷耦合的毛刺也會(huì)更大。

最后，解碼必須在新數(shù)據(jù)應(yīng)用到DAC之前完成，使得所有數(shù)據(jù)均已就緒，可以同時(shí)應(yīng)用到DAC中的所有開關(guān)。其實(shí)現(xiàn)方式一般是對(duì)一個(gè)完全解碼陣列中的各個(gè)開關(guān)使用獨(dú)立的并聯(lián)鎖存器。如果所有開關(guān)瞬間同時(shí)改變狀態(tài)，就不會(huì)有偏斜毛刺。只要精心設(shè)計(jì)芯片周圍的傳播延遲以及開關(guān)電阻和雜散電容的時(shí)間常數(shù)，就能非常好地實(shí)現(xiàn)更新同步機(jī)制，因而毛刺相關(guān)的失真將非常小。

圖3顯示了分段電流輸出DAC結(jié)構(gòu)的兩個(gè)例子。圖3A所示為利用電阻方法實(shí)現(xiàn)7位DAC，其中3個(gè)MSB通過完全解碼獲得，4個(gè)LSB來自一個(gè)R-2R網(wǎng)絡(luò)。圖3B所示為使用電流源的類似實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)于當(dāng)今的高速重構(gòu)DAC，電流源方案是目前最受歡迎的實(shí)現(xiàn)方法。

基本DAC架構(gòu)：分段DAC

圖3：分段電流輸出DAC: (A)電阻方案;(B)電流源方案

此外，常常也需要利用多個(gè)完全解碼DAC來構(gòu)成整個(gè)DAC。圖4所示的6位DAC由兩個(gè)完全解碼3位DAC構(gòu)成。如前所述，為使輸出毛刺最小，必須利用并聯(lián)鎖存器同時(shí)驅(qū)動(dòng)這些電流開關(guān)。

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圖4：基于兩個(gè)3位溫度計(jì)DAC的6位電流輸出分段DAC

AD977514位160 MSPS(輸入)/400 MSPS(輸出)TxDAC®使用三段，如圖5所示。AD977x系列的其它產(chǎn)品和AD985x系列也使用同樣的基本內(nèi)核。

基本DAC架構(gòu)：分段DAC

圖5：AD9775 TxDAC® 14位CMOS DAC內(nèi)核

前5位(MSB)為完全解碼型，驅(qū)動(dòng)31個(gè)同等權(quán)重的電流開關(guān)，各開關(guān)提供512 LSB的電流。后續(xù)4位解碼為15條線，驅(qū)動(dòng)15個(gè)電流開關(guān)，各開關(guān)提供32 LSB的電流。最后5個(gè)LSB位被鎖存，并驅(qū)動(dòng)一個(gè)傳統(tǒng)二進(jìn)制加權(quán)DAC，該DAC針對(duì)每個(gè)輸出電平提供1 LSB。為了實(shí)現(xiàn)這種超低毛刺架構(gòu)，總共需要51個(gè)電流開關(guān)和鎖存器。

TxDAC系列中的基本電流開關(guān)單元由圖6所示的差分PMOS晶體管對(duì)組成。這些差分對(duì)通過低電平邏輯驅(qū)動(dòng)，以便最大程度地降低開關(guān)瞬變和時(shí)間偏斜。DAC輸出為對(duì)稱的差分電流，有助于減少偶數(shù)階失真產(chǎn)物(特別是驅(qū)動(dòng)變壓器或運(yùn)放差分電流電壓轉(zhuǎn)換器等差分輸出時(shí))。

AD977x TxDAC®系列和AD985x-DDS系列的總體架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了功耗與性能的出色平衡，通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝就可以實(shí)現(xiàn)完整的DAC功能，無需薄膜電阻。

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圖6：PMOS晶體管電流開關(guān)

參考文獻(xiàn)：

1. Dennis Dempsey and Christopher Gorman, "Digital-to-Analog Converter," U.S. Patent 5,969,657, filed July 27, 1997, issued October 19, 1999.(描述一款出色的分段無緩沖串DAC解決方案)。

2. John A. Schoeff, "An Inherently Monotonic 12 Bit DAC," IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-14, No. 6, December 1979, pp. 904-911.(描述首個(gè)使用分段的一款單調(diào)DAC)。

3. Walt Kester, Analog-Digital Conversion, Analog Devices, 2004, ISBN 0-916550-27-3, Chapter 3.另見The Data Conversion Handbook, Elsevier/Newnes, 2005, ISBN 0-7506-7841-0, Chapter 3.