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DAC结构

了解R2R和电阻串DAC架构之间的差异

2010-05-2718:

52:

06来源：

中电网

关键字：

R2R电阻串DAC模数转换器

数模转换器均采用两种基本架构，您对其特性的了解将有助于为应用选择正确的转换器架构。

由于大多数工程师都在工程类院校专门学习过有关模数转换器（ADC）、运算放大器（OpAmp）、数模转换器（DAC）以及其他电子架构的课程，因此您可能会认为他们已理解了这些电路的所有基本功能。

大多数人都对ADC的工作原理有了一个很好的了解，但是对DAC的工作原理却不太熟悉，它究竟有何功能呢？

同样，对于大多数人来说，DAC只不过是一个输入端为数字信号数据而输出端为模拟信号数据的“黑匣子”。

只有为数不多的人知道其在架构方面的区别，以及与R2R梯形架构相比一个电阻串架构所具有的优点和缺点。

了解他们之间的不同之处并了解这些通用DAC的工作原理可以使设计人员为其应用选择最佳的DAC。

本文将对DAC的基本工作原理进行阐述，并对您一直想知道的一些问题做出解答。

尽管DAC通常被视为一个输入端为数字信号数据而输出端为模拟信号数据的“黑匣子”，但却内藏玄机。

数字数据可以是串行数据格式也可以是并行数据格式。

像SPI或I2C之类串行传输数字数据流的接口，就像是一条条进入“黑匣子”的项链或链条，而并行接口会在一个时钟周期内将所有必要的比特加载到该器件中。

与该器件的另一侧，模拟输出信号可以是一个电压或一个电流，如图1所示。

不同的输入接口所提供的数据格式也有所不同，所以在速度、引脚数量、芯片面积、器件尺寸以及灵活性上都有很大的不同。

但是，串行和并行接口均能将数字数据输入到该器件中。

一旦数字数据被输入到黑匣子（第一个功能块），那么输入寄存器就会像串行-并行转换那样工作，或者在多通道器件中对该数据进行存储，直到该数据被传输至单个DAC寄存器中。

在输入寄存器和DAC架构之间起连接作用的DAC寄存器将起到一个存储器的作用，并对数字数据加以存储。

在DAC设计之初，该DAC寄存器为一个保存数字数据的外部存储器。

如果没有该DAC寄存器，那么由于模拟电路的实时馈入，DAC的输出将随着外部输入总线的任何变化而立即发生变化。

在用户决定用新代码更新DAC寄存器之前，该数据会一直驻留在DAC寄存器之中。

DAC寄存器主要起到了一个触发电路的作用。

架构

当今的高精度DAC主要采用了两种架构：

R2R架构和电阻串架构。

这两种架构均为采用了一些数字控制逻辑的模拟电路。

通过一款基本的R2R架构，就有可能生成一个电流输出或电压输出；而电阻串架构只能利用一个输出缓冲器生成一个电压输出，如图2中的输出电路结构图所示。

在电流输出的情况下，没有实施输出缓冲器。

电阻串架构

顾名思义，电阻串架构就是一个以串联形式放置的一串电阻，以构建一个电阻串。

从理论上来说，您可能会需要256个电阻才能构建一款8位DAC（28=256）（请参见图3），包括产生一个电压输出的内部输出缓冲器，该电压输出同数字输入代码等效。

提高精度也就是说要增加所需电阻的数量以构建一个电阻串DAC。

对于一款16位DAC而言，可能需要65,536个电阻才能生成所有可能的电压/数字阶跃（step）。

但是，在现实真正的设计中，在一颗芯片上实施近66,000个电阻是不切实际的，对于当今的小封装，低功耗和低成本要求而言尤为如此。

因此，设计人员推出了其他更小的电路设计方案，如可降低电阻串上所需电阻数量以及接触点的内插式放大器，从而实现了功耗更低且更节省空间的设计。

该内插式放大器用来代替输出缓冲器。

当今的一些电阻串架构拥有一个可用作放大器外部反馈环路的引脚。

由于特定的电阻串架构，电阻串DAC具有低成本和保证单调性能的优点。

值得一提的另外一个很重要的优点是可以实现小型封装的低功耗和小裸片面积，从而使他们非常适合便携式应用。

其另外一个优点是输出缓冲器已经包括在该架构之中，从而无需使用更多的板上外部组件。

其次，该输出缓冲器还实现了内部电阻和模拟电路与外界的隔离，这在低阻抗电路中非常有用。

许多应用都要求低突波能量，这也是电阻串架构的另外一个优点。

另一方面，由于电阻串设计的更高阻抗，所以其噪声通常会高于R2R架构的噪声。

设计人员还应该清楚地知道有限的精度（亦称为积分非线性（INL））。

较早的设计通常在中－60最低位（LSB）提供INL数字，而较新型的一些设计则利用改进的工艺技术，现在可以在4LSB区域提供典型的INL数字。

对于诸如马达控制或过程控制的许多闭环应用而言，一个典型的4LSBINL就已经足够了。

然而，对于其他应用而言（如：

自动测试设备），这还远远不够，那些应用通常需要1LSBINL。

因此，就有了另外一种不同的架构：

R2R架构。

R2R架构

R2R架构主要是由形成一个电阻梯形的并联电阻组成。

图4显示了一种可能的R2R梯形，这是一款乘法DAC（MDAC），其R2R梯形的顶部与外部参考电压相连。

该架构可以输出一个相当于数字输入代码的电流。

在硅片中实施一个R2R梯形的另一种方法如图5所示。

图5主要的电压输出R2R架构

其外部参考电压没有和R2R梯形直接连接。

根据不同的数字输入代码，开关将通过R2R网络把参考电压或接地电平连接至输出缓冲器，该输出缓冲器将所生成的电压信号转换成输出电压。

图5所示的架构只允许从0V到应用外部参考电压的单极输出电压（请注意，DAC的电源电压必须等于或高于参考电压）。

通过将接地电平连接至一个额外的外部负参考电压可以对后来提及的架构进行修改，而通过修改该架构则可以实现双极运行。

图6显示了修改后的架构。

此种类型的架构还可用于选择灵活的参考电压。

虽然VREFL可以为负电压，但不需要让其为负电压。

但是，VREFL必须要低于VREFH。

详尽的描述与参数请参见现有的产品说明书，如：

DAC7714（见参考书目1）。

R2RDAC具有低噪声和高精度的优点，其可能会提供±1LSBINL的卓越精度和DNL性能。

而且，该架构可实现高电压输出，MDAC拥有较快的建立时间（小于0.3μsec），以及大于10MHz的乘法带宽。

一般而言，其他R2R拓扑结构仅拥有中等的建立时间性能。

对于更宽泛的应用范围（如数控校验或工业可编程逻辑控制（PLC））而言，MDAC为设计人员在选择使用外部输出缓冲器方面的灵活性使该架构类型更为有用。

设计人员可以为特定的应用挑选最佳的运算放大器。

另一方面，对于板上器件数量不断增加的低阻抗连接而言，需要一个外部缓冲器。

其次，与R2R架构相比，突波能量当然更适合电阻串架构，因此，对于波形生成和其他突波能量敏感型应用而言，很少采用R2RDAC。

结论

我们不但要考虑诸如增益误差或偏移误差等其他电气规范，而且还要考虑随着温度变化而发生的漂移或满量程误差等重要的参数，这些参数通常与具体的架构无关。

为了有一个良好的开端，设计人员应首先查看基本要求并问问自己对最低精度和线性度有何要求。

如果是在闭环应用中，那么一款较低成本且线性较差的电阻串DAC就足够了；而如果是在开环应用中，则R2R架构在提供更佳的线性度和更高的精度方面就显得更加出色。

T形R-2R电阻网络D/A转换电路及原理

⑴电路结构

①电阻网；

②模拟开关；

③读出电路；

④基准源VR。

图T形R-2R电阻网络D/A转换电路

⑵I/O传输关系

即求解解码网输出模拟量与输入数字量间关系。

①各位电流分析

因各位模拟开关均为恒流开关，当解码网输出双电流模拟量的右边接成负反馈状态的读出电路后，不管开关打在左边或右边，所有2R电阻的下端均接地（或虚地）。

所以，可以根据代码画出等效电路图。

②公式推导：

方法：

用叠加原理求解。

、

与数字量的关系如下：

（注：

指当

时，

；

时，

）

③读出电路（思考：

为什么用此电路？

）：

式中：

——反馈电阻；R——解码网电阻；

本文来自:

DZ3W.COM原文网址：

倒T型电阻网络D/A转换器

2007-01-2410:

21:

14来源：

与非网

关键字：

DAC倒T型电阻网络

电路结构

    4位倒T型电阻网络D/A转换器的原理图见11.2.1所示。

由图中可以看出，解码网络电阻只有两种：

即R和2R．且构成倒T型．故又称为R-2R0倒Ｔ型电阻网络DAC．其中S0～S3为模拟开关，R-2R0电阻解码网络呈倒T形，运算放大器A组成和电路。

图11.2.1倒T型电阻网络D/A转换器

    11.2.2  工作原理

    模拟开关Si，由输入数码Di控制，当Di=1时Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路；当Di=0时，Si则将电阻2R接地。

根据运算放大器线性运用的“虚地”的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R0电阻均将接“地”（地或虚地）。

余类推，这样，流经2R0电阻的电流与开关位置无关，为确定值。

分析R-2R0电阻网络可以发现，从每个节点向左看的二端网络等效电阻均为R,流入每个2R0电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。

设基准电压源电压为VREF,则总电流为I=VREF/R,则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8和I/16。

    于是可得到各支路的总电流

    输出电压为：

    上式表明，对于在图11.2.1电路中输入的每一个二进制数，均能在其输出端得到与之成正比的模拟电压。

    11.2.3  扩展

    将输入数字量扩展到n位，可得到n位倒T型电阻网络D/A转换器输出模拟量与输入数字量之间的关系式

    将式中

用K表示，中括号内的n位二进制数用NB表示，则上式可改写为vO=-KNB

    11.2.4  优缺点    

    1.各支路电流直接流入运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差,提高了转换速度。

    2.减少了动态过程中输出端可能出现的尖脉冲。

    3.基准电压稳定性要好。

    4.倒T型电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高。

    5.每个模拟开关的开关电压降要相等,为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的导通电阻相应地按2的整数倍递增。

    常用的CMOS开关倒T形电阻网络D/A转换器的集成电路有AD7520（10位）、DAC1210（12位）及AK7546（16位高精度）等。

本文来源于与非网

原文地址：

什么是权电流型DAC（数模转换器）

2007-01-2410:

25:

34来源：

与非网

关键字：

DAC权电流

　　尽管倒T型电阻网络D/A转换器具有较高的转换速度，但由于电路中存在模拟开关电压降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生转换误差。

为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。

    11.3.1  电路结构

    4位权电流D/A转换器如图11.3.1所示。

电路中，用一组恒流源代替了倒T型电阻网络。

这组恒流源从高电位到低位电流的大小依次为I/2、I/4、I/8、I/16。

图11.3.1权电流D/A转换器的原理电路

    11.3.2  工作原理

    在图11.3.1所示电路中，当输入数字量的某一位数码Di=1时，开关Si接运算放大器的反相端，相应权电流流出求和电路；当Si=0时，开关Si接地。

分析该电路，可得出

优点

    1.速度快。

    2.当采用了恒流源电路后，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。

电路举例

    恒流源采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路，即可得如图11.3.2所示的实际的权电流D/A转换器电路。

图11.3.2实际的权电流D/A转换器电路

    为消除因各BJT发射结电压VBE的不一致性对D/A转换精度的影响，图中T3～T1均采用了多发射极晶体管，其发射极个数分别是8、4、2，即T3～T1发射极面积之比为8：

4：

2。

这样，在各BJT电流比值为8:

4:

2的情况下，T3～T1的发射极电流密度相等，可使各发射节电压VBE相同。

由于T3～T1的基极电压相同，所以它们的发射极e3、e2、e1就为等电位点。

在计算各支路电流时将它们等效连接后，可看出电路中得到T型电阻网络与图11.2.1中工作状态完全相同，流入每个2R电阻的电流从高位到低位依次减少1/2，各支路中电流分配比值满足8：

4：

2的要求。

基准电流IREF产生电路由运算放大器A2、R1、Tr、R和-VEE组成，A2和R1、Tr的cb结组成电压并联负反馈电路，以稳定输出电压，即Tr的基极电压。

Tr的be结，电阻R到-VEE为反馈电路负载，由于电路处于深度负反馈，根据虚短的原理，其基准电流为

    由倒T型电阻网络分析可知，IE3=I/2,IE2=I/4,IE1=I/8,IE0=I/16,于是可得输出电压为

    可推得n位倒T型权电流D/A转换器的输出电压

    上式表明，基准电流仅与基准电压VREF和电阻R1有关，而与BJT、R、2R电阻无关。

这样，电路降低了对BJT参数及R、2R取值的要求，对于集成化十分有利。

    常用的单片集成权电流D/A转换器有AD1408、DAC0806、DAC0808等。

本文来源于与非网

原文地址：

什么是权电阻网络DAC（数模转换器）

2007-01-2410:

10:

51来源：

与非网

关键字：

DAC权电阻

　　一个多位二进制数中每一位的1所代表的数值大小称为这一位的权。

如果一个n位二进制数用

表示，则最高位（MSB）到最低位（LSB）的权依次为

。

1.电路结构及原理

下图是4位权电阻网络D/A转换器的原理图，它由权电阻网络、4个模拟开关和1个求和放大器组成。

图7.3权电阻网络D/A转换器

S0--S3为模拟开关，它们的状态分别受输入代码di的取值控制，di =1 时开关接参考电压VREF上，此时有支路电流Ii 流向求和放大器； di =0时开关接地，此时支路电流为零。

求和放大器是一个接成负反馈的运算放大器。

为了简化分析计算，可以把运算放大器近似地看成理想放大器——即它的开环放大倍数为无穷大，输入电流为零（输入电阻为无穷大），输出电阻为零。

当同相输入端V+ 的电位高于反相输入端 V-的电位时，输入端对地电压 v0为正；当 V-高于 V+ 时， v0为负。

当参考电压经电阻网络加到 V-时，只要 V-稍高于 V+ 时，便在 v0 产生很负的输出电压。

 v0经 RF反馈到 V-端使 V-降低，其结果必然使

。

在认为运算放大器输入电流为零的条件下可以得到

由于

，因而各支路电流分别为

 （

时

，

时

）

将它们代入输出v0中并取

，则得到

对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为 R/2时，输出电压的计算公式可写成

上式表明，输出的模拟电压正比于输入的数字量 Dx，从而实现了从数字量到模拟量的转换。

当Dx=0 时v0=0 ；当

时

，所以 v0的最大变化范围是

。

从上面的分析计算可以看到，在 VREF为正电压时输出电压 v0始终为负值。

要想得到正的输出电压，可以将 VREF取为负值。

2.电路优缺点

优点：

结构比较简单，所用的电阻元件数很少。

缺点：

各个电阻阻值相处较大，尤其在输入信号的位数较多时，这个问题更加突出。

要想在极为宽广的阻值范围内保证每个电阻都有很高的精度是十分困难的，尤其对制作集成电路更加不利。

为了克服这个缺点，可以采用双级权电阻网络（有兴趣可查阅参考资料）。

或者采取其他形式D/A转换器。

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