了解R2R和電阻串DAC架構(gòu)之間的差異

　　數(shù)模轉(zhuǎn)換器均采用兩種基本架構(gòu)，您對(duì)其特性的了解將有助于為應(yīng)用選擇正確的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。

　　由于大多數(shù)工程師都在工程類院校專門學(xué)習(xí)過(guò)有關(guān)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、運(yùn)算放大器(Op Amp)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)以及其他電子架構(gòu)的課程，因此您可能會(huì)認(rèn)為他們已理解了這些電路的所有基本功能。大多數(shù)人都對(duì) ADC 的工作原理有了一個(gè)很好的了解，但是對(duì) DAC 的工作原理卻不太熟悉，它究竟有何功能呢？

　　同樣，對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，DAC 只不過(guò)是一個(gè)輸入端為數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)而輸出端為模擬信號(hào)數(shù)據(jù)的“黑匣子”。只有為數(shù)不多的人知道其在架構(gòu)方面的區(qū)別，以及與 R2R 梯形架構(gòu)相比一個(gè)電阻串架構(gòu)所具有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。了解他們之間的不同之處并了解這些通用 DAC 的工作原理可以使設(shè)計(jì)人員為其應(yīng)用選擇最佳的 DAC。本文將對(duì) DAC 的基本工作原理進(jìn)行闡述，并對(duì)您一直想知道的一些問(wèn)題做出解答。

　　盡管 DAC 通常被視為一個(gè)輸入端為數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)而輸出端為模擬信號(hào)數(shù)據(jù)的“黑匣子”，但卻內(nèi)藏玄機(jī)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以是串行數(shù)據(jù)格式也可以是并行數(shù)據(jù)格式。像 SPI 或 I2C 之類串行傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的接口，就像是一條條進(jìn)入“黑匣子”的項(xiàng)鏈或鏈條，而并行接口會(huì)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)將所有必要的比特加載到該器件中。與該器件的另一側(cè)，模擬輸出信號(hào)可以是一個(gè)電壓或一個(gè)電流，如圖1 所示。

          圖1  數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要功能

　　不同的輸入接口所提供的數(shù)據(jù)格式也有所不同，所以在速度、引腳數(shù)量、芯片面積、器件尺寸以及靈活性上都有很大的不同。但是，串行和并行接口均能將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入到該器件中。

　　一旦數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被輸入到黑匣子(第一個(gè)功能塊)，那么輸入寄存器就會(huì)像串行-并行轉(zhuǎn)換那樣工作，或者在多通道器件中對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，直到該數(shù)據(jù)被傳輸至單個(gè) DAC 寄存器中。在輸入寄存器和 DAC 架構(gòu)之間起連接作用的 DAC 寄存器將起到一個(gè)存儲(chǔ)器的作用，并對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)加以存儲(chǔ)。

　　在 DAC 設(shè)計(jì)之初，該 DAC 寄存器為一個(gè)保存數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的外部存儲(chǔ)器。如果沒(méi)有 該 DAC 寄存器，那么由于模擬電路的實(shí)時(shí)饋入，DAC 的輸出將隨著外部輸入總線的任何變化而立即發(fā)生變化。在用戶決定用新代碼更新 DAC 寄存器之前，該數(shù)據(jù)會(huì)一直駐留在 DAC 寄存器之中。DAC 寄存器主要起到了一個(gè)觸發(fā)電路的作用。

　　架構(gòu)

　　當(dāng)今的高精度 DAC 主要采用了兩種架構(gòu)：R2R 架構(gòu)和電阻串架構(gòu)。這兩種架構(gòu)均為采用了一些數(shù)字控制邏輯的模擬電路。通過(guò)一款基本的 R2R 架構(gòu)，就有可能生成一個(gè)電流輸出或電壓輸出；而電阻串架構(gòu)只能利用一個(gè)輸出緩沖器生成一個(gè)電壓輸出，如圖2 中的輸出電路結(jié)構(gòu)圖所示。在電流輸出的情況下，沒(méi)有實(shí)施輸出緩沖器。

 圖2：基本功能模塊

　　電阻串架構(gòu)

　　顧名思義，電阻串架構(gòu)就是一個(gè)以串聯(lián)形式放置的一串電阻，以構(gòu)建一個(gè)電阻串。從理論上來(lái)說(shuō)，您可能會(huì)需要 256 個(gè)電阻才能構(gòu)建一款 8 位 DAC(28 = 256)(請(qǐng)參見(jiàn)圖3 )，包括產(chǎn)生一個(gè)電壓輸出的內(nèi)部輸出緩沖器，該電壓輸出同數(shù)字輸入代碼等效。

圖3 主要的電壓輸出電阻串架構(gòu)

　　提高精度也就是說(shuō)要增加所需電阻的數(shù)量以構(gòu)建一個(gè)電阻串 DAC。對(duì)于一款 16 位DAC 而言，可能需要65,536 個(gè)電阻才能生成所有可能的電壓/數(shù)字階躍(step)。但是，在現(xiàn)實(shí)真正的設(shè)計(jì)中，在一顆芯片上實(shí)施近 66,000 個(gè)電阻是不切實(shí)際的，對(duì)于當(dāng)今的小封裝，低功耗和低成本要求而言尤為如此。

　　因此，設(shè)計(jì)人員推出了其他更小的電路設(shè)計(jì)方案，如可降低電阻串上所需電阻數(shù)量以及接觸點(diǎn)的內(nèi)插式放大器，從而實(shí)現(xiàn)了功耗更低且更節(jié)省空間的設(shè)計(jì)。該內(nèi)插式放大器用來(lái)代替輸出緩沖器。當(dāng)今的一些電阻串架構(gòu)擁有一個(gè)可用作放大器外部反饋環(huán)路的引腳。

　　由于特定的電阻串架構(gòu)，電阻串 DAC 具有低成本和保證單調(diào)性能的優(yōu)點(diǎn)。值得一提的另外一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)小型封裝的低功耗和小裸片面積，從而使他們非常適合便攜式應(yīng)用。其另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是輸出緩沖器已經(jīng)包括在該架構(gòu)之中，從而無(wú)需使用更多的板上外部組件。

　　其次，該輸出緩沖器還實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部電阻和模擬電路與外界的隔離，這在低阻抗電路中非常有用。許多應(yīng)用都要求低突波能量，這也是電阻串架構(gòu)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

　　另一方面，由于電阻串設(shè)計(jì)的更高阻抗，所以其噪聲通常會(huì)高于 R2R 架構(gòu)的噪聲。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該清楚地知道有限的精度(亦稱為積分非線性(INL))。較早的設(shè)計(jì)通常在中－60 最低位(LSB)提供 INL 數(shù)字，而較新型的一些設(shè)計(jì)則利用改進(jìn)的工藝技術(shù)，現(xiàn)在可以在 4LSB 區(qū)域提供典型的 INL 數(shù)字。對(duì)于諸如馬達(dá)控制或過(guò)程控制的許多閉環(huán)應(yīng)用而言，一個(gè)典型的 4 LSB INL 就已經(jīng)足夠了。然而，對(duì)于其他應(yīng)用而言(如：自動(dòng)測(cè)試設(shè)備)，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，那些應(yīng)用通常需要1 LSB INL。因此，就有了另外一種不同的架構(gòu)：R2R 架構(gòu)。