數模轉換器的基本原理及DAC類(lèi)型簡(jiǎn)介

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

　　1 數模轉換器的概念

　　經(jīng)數字系統處理后的數字量，有時(shí)又要求再轉換成模擬量以便實(shí)際使用，這種轉換稱(chēng)為“數模轉換”。完成數模轉換的電路稱(chēng)為數模轉換器， 簡(jiǎn)稱(chēng) 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字碼值下所有可能輸出的模擬電平的 個(gè)數，N位分辨率意味著(zhù)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 數字碼的位數。

　　失調和增益誤差

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

　　DAC的失調和增益誤差

　　精度

　　DAC中的精度分為絕對精度和相對精度。絕對精度定義為理想輸出和實(shí)際輸出之 間的差，包括各種失調和非線(xiàn)性誤差在內。相對精度定義為最大積分非線(xiàn)性誤差。精度表示為滿(mǎn)量程的比例，用有效位數來(lái)表示。例如8-bit 精度表示DAC的誤差小于DAC輸出滿(mǎn)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(zhù)DAC的傳輸響應能夠被比較精確地控制。

　　積分線(xiàn)性誤差（INL－Integral Nonlinearity）

　　當除去失調和增益誤差后，積分線(xiàn)性誤差就定義為實(shí)際輸出傳輸特性曲線(xiàn)對理想傳輸特性曲線(xiàn)（一條直線(xiàn)）的偏離。如圖所示。

　　DAC的積分和微分線(xiàn)性誤差

　　微分線(xiàn)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(xiàn)性誤差定義為每次模擬輸出變化最小時(shí)對1LSB的偏離（將增 益誤差和失調除外）。我們定義的DNL是對每個(gè)數字輸入碼值而言的，有時(shí)也有用最大 的DNL來(lái)定義整個(gè)DAC的DNL。理想的DAC對于每個(gè)數字輸入其微分線(xiàn)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(xiàn)性誤差所示。

　　抖動(dòng)能量（Glitch Impulse Area） 輸入信號變化以后在輸出端出現的抖動(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，輸出經(jīng)歷滿(mǎn) 幅轉換所需要的時(shí)間。

　　單調性 一個(gè)單調的DAC指隨著(zhù)輸入數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?xún)?，那么DAC的單調性自然能得到保證。

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

　　3 數模轉換原理

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

　　其中 為二進(jìn)制數按位權展開(kāi)轉換成的十進(jìn)制數值。

　　4 數模轉換器的構成及不同類(lèi)型數模轉換器的特點(diǎn)

　　DAC 主要由數字寄存器、模擬電子開(kāi)關(guān)、位權網(wǎng)絡(luò )、求和運算放大 器和基準電壓源（或恒流源）組成。用存于數字寄存器的數字量的各 位數碼，分別控制對應位的模擬電子開(kāi)關(guān)，使數碼為 1 的位在位權 網(wǎng)絡(luò )上產(chǎn)生與其位權成正比的電流值，再由運算放大器對各電流值求和，并轉換成電壓值。

　　根據位權網(wǎng)絡(luò )的不同，可以構成不同類(lèi)型的 DAC，如權電阻網(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。 權電阻網(wǎng)絡(luò )DAC 的轉換精度取決于基準電壓VREF，以及模擬電子開(kāi) 關(guān)、運算放大器和各權電阻值的精度。它的缺點(diǎn)是各權電阻的阻值都 不相同，位數多時(shí)，其阻值相差甚遠，這給保證精度帶來(lái)很大困難， 特別是對于集成電路的制作很不利，因此在集成的 DAC 中很少單獨使用該電路。

　　5 模數轉換器的主要技術(shù)指標

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

　?。?） 分辨率

　　一般用 DAC 的位數來(lái)衡量分辨率的高低，因為位數越多，其輸出電 壓vO的取值個(gè)數就越多（2n 個(gè)），也就越能反映出輸出電壓的細微變化，分辨能力就越高。

　　此外，也可以用 DAC 能分辨出來(lái)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。

　?。?） 轉換誤差

　　轉換誤差是指實(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 之比的百分數或 若干個(gè) LSB 表示。實(shí)際上它是三種誤差的綜合指標。

　?。?） 轉換速度

　　轉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(kāi)始，到 輸出電壓穩定在 FSR±½ LSB 范圍（或以 FSR±x％FSR 指明范圍）內 為止，這段時(shí)間稱(chēng)為建立時(shí)間，它是DAC 的最大響應時(shí)間，所以用它衡量轉換速度的快慢。

　　6 數模轉換器的構成

　　DAC 主要由數字寄存器、模擬電子開(kāi)關(guān)、位權網(wǎng)絡(luò )、求和運算放大器和基準電壓源（或恒流源）組成。用存于數字寄存器的數字量的各 位數碼，分別控制對應位的模擬電子開(kāi)關(guān)，使數碼為 1 的位在位權網(wǎng)絡(luò )上產(chǎn)生與其位權成正比的電流值，再由運算放大器對各電流值求和，并轉換成電壓值。

　　根據位權網(wǎng)絡(luò )的不同，可以構成不同類(lèi)型的 DAC，如權電阻網(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 的各種拓撲結構

　　電阻型：

　　結構如圖1所示。圖1所示的是一個(gè)R-2R階梯網(wǎng)絡(luò )型的轉換器。其優(yōu)點(diǎn)在于能實(shí)現很好的線(xiàn)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構簡(jiǎn)單得多。缺點(diǎn)是電阻總是非線(xiàn)性的，還包含著(zhù)和信 號有關(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的結構圖

　　電容型：

　　結構如圖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(kāi)關(guān)的導通電阻，較大RC延遲 以及放大器有限帶寬對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)現起來(lái)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(xiàn)性 的，總的DAC的線(xiàn)性度將受到抑制。適用于中寬帶高精度。

　　圖2 電容型DAC的結構圖

　　電流型：

　　結構如圖3所示。其優(yōu)點(diǎn)是當精度小于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。缺點(diǎn)是對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)也可以不采用運算放大器，直接利用負載電阻將電流轉換成電壓輸出，如圖4所示。這種形式使得DAC的速率可以不受運放帶寬的限制。

　　圖3 電流型DAC的結構圖

　　圖4 輸出直接利用負載電阻進(jìn)行轉換