DAC数模转换器简介.doc

DAC数模转换器简介 1 DAC的组成部分和原理12 DAC的基本概念23 DAC的常用结构43.1 权电阻网络DAC43.2 R-2R梯形电阻网络DAC53.3 倒置R-2R梯形电阻网络DAC64 DAC的各种拓扑结构74.1 电容型74.2 电阻型84.3 电流型85 DAC的编码形式9 1 DAC的组成部分和原理数模转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。DAC的工作原理如图1所示。数字信号输入进入后先暂存在寄存器内，然后通过控制模拟开关来实现电阻电路的导通或断开，从而对数字信号进行译码，最终得到所需的模拟输出信号。按电阻网络的不同，可将DAC分成权电阻网络D/A转换器 、T型电阻网络D/A转换器、倒T型电阻网络D/A转换器、权电流D/A转换器。图1 DAC的工作原理按电子开关的电路形式不同，又可分成CMOS电子开关转换器和双极型电于开关转换器。双极型电子开关又有三极管电流开关型和ECL电流开关型之分。显然双极型开关比CMOS开关速度高：ECL开关比一般的三极管开关速度高。 2 DAC的基本概念 下面简单的介绍一下DAC里面的一些术语。（1）分辨率：D/A转换器的分辨率指的是D/A转换器模拟输出电平可能被分离的数目。通常用转换器输入的位数来表示。如12位的D/A转换器的分辨率为12。由于每一个D/A转换器都存在有限的分辨率，因此，对应相邻数字代码的输出模拟信号是分散的，且这些输出模拟信号是以一个固定的电压在上升，这个固定的电压值用LSB(LeastSignificant Bits)即最低有效位来区分。LSB的定义为： 1LSB=KVREF/2N，其中K是输出放大器的放大倍数。输入数字代码每增加一位，理想DAC的输出将增加1LSB。（2）失调和增益误差：失调定义为当输入0码值时实际输出的模拟信号的值，增益误差定义为当扣除失调后理想的满量程输出的值和实际输出的值的差，如图1所示。图1 DAC的失调和增益误差（3） 精度：DAC中的精度分为绝对精度和相对精度。绝对精度定义为理想输出和实际输出之间的差，包括各种失调和。精度表示为满量程的比例，用有效位数来表示。例如8-bit 精度表示DAC的误差小于DAC输出满量程的1/28。注意精度这个概念和分辨率不相关。一个12-bit分辨率的DAC可能精度只有10-bit；而一个10-bit分辨率的DAC可能有12-bit的精度。精度大于分辨率意味着DAC的传输响应能够被比较精确地控制。（4） 积分线性误差(INLIntegral Nonlinearity)：当除去失调和增益误差后，积分线性误差就定义为实际输出传输特性曲线对理想传输特性曲线(一条直线)的偏离，如图2.2所示。它反映实际转换特性的整体线性度。 积分线性误差和分辨率既有一致性，又有差异。对于性能良好的转换器，两者应该是统一的，即具有N位分辨率的转换器，其线性误差不大于l/2N+1。如12位的D/A转换器，其线性误差不大于1/(40962)=0012%。但是，在某些场合，线性误差有时给出不大于005%，或更大。明确这两者的一致和差异，就可以在不同的应用中恰到好处地选用转换器。（5） 微分线性误差(DNLDifferential Nonlinearity):在理想的DAC中，每次模拟输出变化最小为1LSB，微分线性误差定义为每次模拟输出变化最小时对1LSB的偏离(将增益误差和失调除外)。我们定义的DNL是对每个数字输入码值而言的，有时也有用最大的DNL来定义整个DAC的DNL。理想的DAC对于每个数字输入其微分线性误差均为0，而一个具有最大DNL为0.5LSB的DAC的每次最小变化输出在0.5LSB到1.5LSB之间。如图2所示。图2 DAC的积分线性误差（6） 抖动能量（Glitch Impulse Area）：输入信号变化以后在输出端出现的抖动下的最大面积。（7） 建立时间（Settling Time）：建立时间是D/A转换器时间参数中的一个重要参数，定义为：从D/A转换器的输入阶越发生变化开始，一直到输出电压达到规定的误差带之内所需要的最大时间。规定的误差带一般为1/2LSB。建立时间主要由输出运算放大器来决定，包括两部分，其一是由输出运算放大器转换速率控制的上升时间，其二是放大器进入线性区之后的指数上升时间。（8） 伪动态范围（SFDR）：SFDR就是Spurious Free Dynamic Range，即无噪声和谐波的动态范围。噪声和谐波都称为伪信号（Spurious）（9） 单调性：单调性被定义为在满量程范围内，D/A转换器数字输入单调变化时，模拟输出增量不改变符号的转换特性。也就是说，单调性保证了D/A转换器的输出是输入的单值函数。当D/A转换器有一个DNL误差小于等于-1LSB时，那么这个D/A转换器就必定是非单调的。非单调性的D/A转换器将会使逐次比较型A/D转换器的输出产生失码现象。（10） 量化噪声：量化噪声是在用一个有限精度的转换器将模拟值进行数字化的过程中所存在的固有不确定性。这个噪声是DAC的一个基本特性，代表了转换器的精度限制。 3 DAC的常用结构3.1 权电阻网络DAC权电阻求和网络DAC的基本电路结构如图3所示。权电阻求和网络中的电阻值通常有如下规律；从最低位到最高位每位相应的电阻值都是相邻高位电阻值的二倍，并且其中的模拟开关分别受输入数码的控制，最高位数码控制阻值最小的支路的开关，依此类推，最低位数码控制阻值最大的支路的开关。当某位数码为1时，它所控制的开关接通，输出总线上出现与该位电阻阻值成反比的电流分量，当该位数码为O时，总线上就没有这一位的电流分量。该网络各位的输出电流和电压符合二进制关系，因此这个网络称为权电阻网络，它的最高位的权为l2，第二位的权为14，最低位的权为1/，它代表了这个DAC的分辨率。图3 权电阻网络DAC 图中包含个并列支路，每个支路由一个电阻和一个模拟开关串联而成。各个支路电阻的阻值按二进制权系数关系递增排列，而其中的模拟开关分别受各位输入数码的控制，最高位数码控制阻值最小的支路开关，最低位数码控制阻值最大的支路开关。当某位数码为0时，它所控制的那位开关接地，在总线上就没有这一位的权电流分量。总的输出电压可表式为： (1)式中，bi代表第i的输入数码，当开关Si与VREF连接时bi为l，否则当开关与地连接时，bi为0。权电阻网络数模转换器的优点是电路简单、概念清楚。缺点是在位数较多时，电阻的种类比较多，为了保证转换精度，就要求高位的权电阻值很精确。要制造阻值范围很宽的一套电阻，还要有精确的电阻比和良好的温度待性，这是很困难的。其次，最低位由于权电阻的阻值很高，所以电流很小，使数模转换器对噪声电流很敏感。另外对开关的要求也相当严格，开关的接通电阻应甚小于最低位电阻而开关的断开电阻应甚大于最高位电阻。一般当位数多时这是很难做到的。因此，这种结构的DAC很少见到产品，仅在某些特殊电路中以分立元件的形式出现。3.2 R-2R梯形电阻网络DAC 梯形电阻网络如图4所示。所谓的R-2R梯形电阻网络，就是指该网络中只存在两种阻值的电阻，即R和2R。从任何一个2R的右端看进去的阻值都是丝，它使得当电流从最左边的垂直2R流向最右边的垂直2R时，每经过一个垂直的强电流减小一半。因此，流过这些电阻的电流可以写成：, (2) 所以，总的电流是： (3) 从而我们可以算出输出的电压值是： (4) 图4 R-2R梯形电阻网络DAC 对这类DAC的分析可知，输出端的放大器的功能是进行电流一电压变换，所以又称电流一电压变换器，它可以提供低阻抗的电压输出。此种数模转换器非常著名，R-2R梯形电阻网络DAC克服了权电阻网络电阻值种类繁多的缺点，使用的电阻不但比例单一(2R可用两个R串联)；而且使用的数量非常少。这样就带来很多好处，因为CMOS工艺中电阻的绝对值是很难制造得准确的，但是电阻的相对比例却是很容易达到很高的精度的。此外流过各模拟开关的电流均相同，给电子开关制造也带来了方便，因此在集成电路中它应用得十分广泛。 3.3 倒置R-2R梯形电阻网络DAC 如图2.5所示，是一个倒置R-2R梯形电阻网络DAC。它包括由数码bit控制的开关和电阻构成。与R-2R梯形电阻网络的DAC相比，它们的电路结构十分相似，不同点在于模拟开关接入的位置不一样。 倒置R-2R梯形数模转换器的电阻网络与R-2R梯形数模转换器的工作原理基本相同，不同之处在于将电子模拟开关与电阻网络的位置对调。R-2R电阻网络将电阻网络置于模拟开关和运算放大器之间，用模拟开关来切换基准电源。当基准电源的电压值较高时，就要求采用较复杂的、驱动电流较高的电子模拟开关。另外，当各个模拟开关在切换时速度不一样，将会在运算放大器的输出端产生尖峰脉冲。 与R-2R梯形网络相比，倒置R-2R梯形网络结构具有两个特点：一是不管开关接地还是虚地，流过网络的电流总是近似恒定的，因此输入数码变化时，网络中由于变化的电流对杂散电容充电引起的瞬态过程要短得多；二是模拟开关在地和虚地之间切换，流过开关的电流恒定，开关两端电压很小，所需的驱动电压也很小，这不仅有利于提高开关的切换速率，而且切换时产生的瞬态电压也很小。然而应该指出，这种工作方式也有一个严重的缺点，当输入数字变化时。接到在放大器同相输入端的电阻数值是变化的，也就是说接到在放大器同相输入端的时问常数是输入数字的函数，这不但使输出直流误差不易补偿，而且难以做到最佳相位补偿，造成的转换器输出非线性误差，影响DAC的稳定时间。图5 倒置R-2R梯形电阻网络DAC4 DAC的各种拓扑结构4.1 电容型 电容型拓扑DAC，其结构如图6所示。最高位的电容Cn 是最低位电容才C1的（2N1）倍。优点是功耗较小，匹配精度比电阻高。主要的限制因素是电容的不匹配，开关的导通电阻，较大RC延迟以及放大器有限带宽对DAC速度的影响。电荷分配型DAC的一个主要缺点是CMOS工艺中的电容实现起来要占很大的芯片面积。最后由于CMOS工艺中的电容本质是非线性的，总的DAC的线性度将受到抑制。适用于中宽带高精度。图6 电容型DAC结构4.2 电阻型 电阻型DAC的结构如图7所示。图7所示的是一个R-2R阶梯网络型的转换器。其优点在于能实现很好的线性度,由于所有的电流源都是等值的，我们可以用特殊的附加技术使它们间误差较小,与电阻分压相比其结构简单得多。缺点是电阻总是非线性的，还包含着和信号有关的寄生电容,要做到完全匹配较难。同时速度受到输出缓冲器的限制，速度做不到很高。图7 电阻型DAC的结构4.3 电流型 电流型DAC的结构如图8所示。其优点是当精度小于10位时能将面积做得很小，速度不受放大器带宽和较大RC延迟的限制，可达到很高的速度，由于所有的电流都直接流向输出端，所以能量的使用效率很高,且容易实现。缺点是对器件不匹配性的敏感和有限的电流源输出阻抗。适合高速宽带的要求。图8 电流型DAC的结构5 DAC的编码形式DAC的编码形式主要有二进制编码、温度编码和分段编码。二进制编码DAC的毛刺（glitch）能量和微分线性误差（DNL）较大；温度编码DAC有较小的DNL误差和较小的动态