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原创一文了解 DAC

 2022-1-13 11:09  1952 11 8 分类: 模拟

什么是D/A转换器？

1. D/A转换器

D/A转换器(Digital-to-Analog Converter, DAC)是指将数字(Digital)量转换为模拟(Analog)量的元器件。

1. D/A转换器 - 图1

数字量

相同间隔不连续的量
时间上离散、量方面离散

模拟量（自然界的现象）

大小连续的量
时间上连续、量方面离散

2. A/D转换器

A/D转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)与D/A转换器相反，是指将模拟量转换为数字量的元器件。

A/D转换,D/A转换的必要性

1. IC动向

电气高精度处理、高速处理在CPU、DSP中以数字方式进行信号处理。
从自然界现象进行A/D转换及数字信号处理，处理后为转换为自然界值，搭载了D/A转换器。

微细加工技术的进步→信号处理的数字化→需要A/D转换器, D/A转换器

1.IC动向 - 图1

2. 使用D/A转换器的产品例

Digital Audio	CD, MD, 1-bit Audio
Digital Video	DVD, Digital Still Camera
通信设备	智能手机、FAX、ADSL设备
电脑	声源、显卡
测量仪器	可编程电源 etc…

D/A转换方式的种类

D/A转换器有各种实现方法。

1. 使用电阻的产品

电阻元件是在IC上易处理的模拟设备。
比精度也比较好,无需修整就可以实现高达约10bit的精度。
由于选择合适的电阻值，从低速到高速，可涵盖的范围很广。

2. 使用电容器的产品

在一般IC中由于电容器比电阻的相对精度高，在中高精度的D/A转换器中使用的比较多。
为了获取更高的精度，必须要大电容，充放电时长时间加速比较困难。
另外，在低频时为了补充泄漏电流，需要不断更新，所以工作变得复杂。

3. 使用电流的产品

这是面向高速（数MHz～）用途的变换方式。根据数字输入，通过开关电流源来切换输出电流。
输出电流是用电阻、运算放大器来进行电流-电压的变换。

4. 过采样方法

面向高精度(16bit～)用途的变换方式。
这是过滤了低分辨率和高采样率的输出，从而得到所期望的模拟信号。
用"0"和"1"2个值输出和低通滤波器来构成的1bitΔ-Σ的方法是常见的。

D/A转换器的基本形式1（解码器系统）

把变换后的数字值传送给电路称作解码器系统。

解码器系统 - 图1

【电阻分压方法DAC例】

在最简单的DAC中，也有被称作电阻串。
下图是一个在3bit分辨率（Resolution）的DAC中，用电阻分压，在开关中选择一个地方的方法。
如果把电阻值变小，提高后续阶段的缓冲放大器，虽然可能高速工作，但由于在高分辨率中的开关寄生电容的限制，而导致工作速度降低。
优点是出色的线性度，原则上，必须保证单调增加性。
缺点是根据分辨率，电路规模成倍的增大。
在3bit中需要8个电阻和开关，4bit中需要16个电阻和开关…在10bit中需要1024个电阻和开关。

【电阻分压方法DAC例】 - 图1

【两级电阻分压方法DAC例】

电阻分压式DAC分成两级配置。
下图是6bit分辨率的DAC中，在第一级（左）Vref-GND之间选择一个电阻的两端（图中选择了从上数下来第三个电阻的两端）。
在第二级（右）中，这个电压再进一步分压，从而获得了精细的分辨率。
优点是比起一级结构，由于控制了电路规模，构成6bit的DAC所需要的电阻和开关数量控制在16个和18个（电阻分压方法的情况下，无论哪个都需要64个）。
由于每增加一个级数就必须追加2个放大器，所以要权衡电阻和开关减少量进行选择。
缺点是增加了恶化作为DAC特点的因素。
比如速度，两个放大器会延迟。
输出电压的精度可能会产生两级放大器的偏移。

【两级电阻分压方法DAC例】- 图1

D/A转换器的基本形式2（二进制方式）

通过接收数字值工作的电路系统叫做二进制方式。

D/A转换器的基本形式2（二进制方式） - 图1

1. 二进制方式 <使用电阻的情况>

二进制方式是根据电路的构成带有加权数据，以下图R-2R梯形电路为代表性例子。
R-2R梯形电路为了无论从哪个节点都可以看到电阻值2R的并联，每个节点的电流值都逐渐减半。

1. 二进制方式 <使用电阻的情况> - 图1

【R-2R梯形DAC例】

下图是拥有4bit分辨率的R-2R梯形DAC。
优点是在小面积中可容易做出分辨率为10bit左右的DAC（所需电阻在Nbit的DAC中需要3N个，开关不用很大，也无需解码器)，与其他方法相结合，如果是14bit左右的话可以实现。
缺点是为了电阻的高相对精度，在实现高精度时需要对开关（MOSFET的尺寸）和布局（R和2R的匹配性很重要，特别是MSB侧=AO侧的电阻必须准确制作）下功夫。

【R-2R梯形DAC例】- 图1

2. 二进制方式 <使用电容器的情况>

下图是为了展示使用了电容器的DAC想法的概念图。
这个DAC需要在开关切换时使用。

2. 二进制方式 <使用电容器的情况> - 图1

【使用了2NC电容器的DAC例】

下图是使用了电容器、4bit分辨率的DAC例子。A0～A3无论哪个开关倒向Vref侧，都能得到不同的Vout电压。此时，放大器右边的两个开关同时ON，为了破坏电荷守恒的关系，在时钟信号下导通时间需要不重叠。
优点是由于电容器的相对精度高，容易获得高精度，另外为了电容器内不产生直流电流，低频时只有放大器电流可低电流消耗。
缺点是为了电容器充电和放电，不适用于加速，在低速时为了弥补漏电流，必须要刷新操作。刷新控制需要对维持刷新中的输出电压等下功夫。

【用了2NC电容器的DAC例】- 图1