什么是D/A轉(zhuǎn)換器?

1. D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converter, DAC)是指將數(shù)字(Digital)量轉(zhuǎn)換為模擬(Analog)量的元器件。

數(shù)字量

相同間隔不連續(xù)的量

時間上離散、量方面離散

模擬量(自然界的現(xiàn)象)

大小連續(xù)的量

時間上連續(xù)、量方面離散

2. A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)與D/A轉(zhuǎn)換器相反，是指將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的元器件。

A/D轉(zhuǎn)換,D/A轉(zhuǎn)換的必要性

1. IC動向

電氣高精度處理、高速處理在CPU、DSP中以數(shù)字方式進(jìn)行信號處理。

從自然界現(xiàn)象進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號處理，處理后為轉(zhuǎn)換為自然界值，搭載了D/A轉(zhuǎn)換器。

微細(xì)加工技術(shù)的進(jìn)步→信號處理的數(shù)字化→需要A/D轉(zhuǎn)換器, D/A轉(zhuǎn)換器

2. 使用D/A轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品例

Digital AudioCD, MD, 1-bit Audio

Digital VideoDVD, Digital Still Camera

通信設(shè)備智能手機(jī)、FAX、ADSL設(shè)備

電腦聲源、顯卡

測量儀器可編程電源 etc…

D/A轉(zhuǎn)換方式的種類

D/A轉(zhuǎn)換器有各種實(shí)現(xiàn)方法。

1. 使用電阻的產(chǎn)品

電阻元件是在IC上易處理的模擬設(shè)備。

比精度也比較好,無需修整就可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)約10bit的精度。

由于選擇合適的電阻值，從低速到高速，可涵蓋的范圍很廣。

2. 使用電容器的產(chǎn)品

在一般IC中由于電容器比電阻的相對精度高，在中高精度的D/A轉(zhuǎn)換器中使用的比較多。

為了獲取更高的精度，必須要大電容，充放電時長時間加速比較困難。

另外，在低頻時為了補(bǔ)充泄漏電流，需要不斷更新，所以工作變得復(fù)雜。

3. 使用電流的產(chǎn)品

這是面向高速(數(shù)MHz～)用途的變換方式。根據(jù)數(shù)字輸入，通過開關(guān)電流源來切換輸出電流。

輸出電流是用電阻、運(yùn)算放大器來進(jìn)行電流-電壓的變換。

4. 過采樣方法

面向高精度(16bit～)用途的變換方式。

這是過濾了低分辨率和高采樣率的輸出，從而得到所期望的模擬信號。

用"0"和"1"2個值輸出和低通濾波器來構(gòu)成的1bitΔ-Σ的方法是常見的。

D/A轉(zhuǎn)換器的基本形式1(解碼器系統(tǒng))

把變換后的數(shù)字值傳送給電路稱作解碼器系統(tǒng)。

【電阻分壓方法DAC例】

在最簡單的DAC中，也有被稱作電阻串。

下圖是一個在3bit分辨率(Resolution)的DAC中，用電阻分壓，在開關(guān)中選擇一個地方的方法。

如果把電阻值變小，提高后續(xù)階段的緩沖放大器，雖然可能高速工作，但由于在高分辨率中的開關(guān)寄生電容的限制，而導(dǎo)致工作速度降低。

優(yōu)點(diǎn)是出色的線性度，原則上，必須保證單調(diào)增加性。

缺點(diǎn)是根據(jù)分辨率，電路規(guī)模成倍的增大。

在3bit中需要8個電阻和開關(guān)，4bit中需要16個電阻和開關(guān)…在10bit中需要1024個電阻和開關(guān)。

【兩級 電阻分壓方法DAC例】

電阻分壓式DAC分成兩級配置。

下圖是6bit分辨率的DAC中，在第一級(左)Vref-GND之間選擇一個電阻的兩端(圖中選擇了從上數(shù)下來第三個電阻的兩端)。

在第二級(右)中，這個電壓再進(jìn)一步 分壓，從而獲得了精細(xì)的分辨率。

優(yōu)點(diǎn)是比起一級結(jié)構(gòu)，由于控制了電路 規(guī)模，構(gòu)成6bit的DAC所需要的電阻和開關(guān)數(shù)量控制在16個和18個(電阻分壓方法的情況下，無論哪個都需要64個)。

由于每增加一個級數(shù)就必須追加2個放大器，所以要權(quán)衡電阻和開關(guān)減少量進(jìn)行選擇。

缺點(diǎn)是增加了惡化作為DAC特點(diǎn)的因素。

比如速度，兩個放大器會延遲。

輸出電壓的精度可能會產(chǎn)生兩級放大器的偏移。

D/A轉(zhuǎn)換器的基本形式2(二進(jìn)制方式)

通過接收數(shù)字值工作的電路系統(tǒng)叫做二進(jìn)制方式。

1. 二進(jìn)制方式 <使用電阻的情況>

二進(jìn)制方式是根據(jù)電路的構(gòu)成帶有加權(quán)數(shù)據(jù)，以下圖R-2R梯形電路為代表性例子。

R-2R梯形電路為了無論從哪個節(jié)點(diǎn)都可以看到電阻值2R的并聯(lián)，每個節(jié)點(diǎn)的電流值都逐漸減半。

【R-2R梯形DAC例】

下圖是擁有4bit分辨率的R-2R梯形DAC。

優(yōu)點(diǎn)是在小面積中可容易做出分辨率為10bit左右的DAC(所需電阻在Nbit的DAC中需要3N個，開關(guān)不用很大，也無需解碼器)，與其他方法相結(jié)合，如果是14bit左右的話可以實(shí)現(xiàn)。

缺點(diǎn)是為了電阻的高相對精度，在實(shí)現(xiàn)高精度時需要對開關(guān)(MOSFET的尺寸)和布局(R和2R的匹配性很重要，特別是MSB側(cè)=AO側(cè)的電阻必須準(zhǔn)確制作)下功夫。

2. 二進(jìn)制方式 <使用電容器的情況>

下圖是為了展示使用了電容器的DAC想法的概念圖。

這個DAC需要在開關(guān)切換時使用。

【使用了2NC電容器的DAC例】

下圖是使用了電容器、4bit分辨率的DAC例子。A0～A3無論哪個開關(guān)倒向Vref側(cè)，都能得到不同的Vout電壓。此時，放大器右邊的兩個開關(guān)同時ON，為了破壞電荷守恒的關(guān)系，在時鐘信號下導(dǎo)通時間需要不重疊。

優(yōu)點(diǎn)是由于電容器的相對精度高，容易獲得高精度，另外為了電容器內(nèi)不產(chǎn)生直流電流，低頻時只有放大器電流可低電流消耗。

缺點(diǎn)是為了電容器充電和放電，不適用于加速， 在低速時為了彌補(bǔ)漏電流，必須要刷新操作。刷新控制需要對維持刷新中的輸出電壓等下功夫。

【用了2NC電容器的DAC(有刷新控制)例】

使用了具有刷新控制的CAPA的4bit分辨率DAC。

3. 二進(jìn)制方式 <使用電阻-電容器的情況>

【電阻-電容器混合型 DAC例】

擁有在電阻串DAC部分(左)3bit，電容器DAC部分3bit，共6bit分辨率的混合型DAC。上位bit的電阻間的電壓根據(jù)下位數(shù)據(jù)加權(quán)插值。

優(yōu)點(diǎn)是可得到高分辨率。

D/A轉(zhuǎn)換器的基本形式3(溫度計(jì)碼方式)

數(shù)據(jù)切換的瞬間，完全不同的電壓(或電流)輸出，在輸出模擬信號中產(chǎn)生噪聲。這個噪音叫做干擾。這個干擾的解決方案之一是使用溫度計(jì)碼(Thermometer code)。

溫度計(jì)碼是指"看有多少個1來表示數(shù)字"的事物。(就像人們數(shù)數(shù)時，豎起手指數(shù)一樣)

能夠抗干擾，但二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼時，解碼器根據(jù)分辨能力，呈指數(shù)的電路規(guī)模。

【溫度計(jì)碼 <電阻模式>DAC例】

使用了溫度計(jì)碼的3bit分辨率DAC例子。

當(dāng)然不會產(chǎn)生干擾。

【溫度計(jì)碼 <電流模式>DAC例】

在若干單元格中拉動電流時決定了輸出 電壓Vout電流型DAC。

下圖是8x8的64灰度級=6bit分辨率的例子。

粉色部分增加時，從R拉動的電流增加， Vout下降。

根據(jù)溫度計(jì)碼的控制，在Vout中不會產(chǎn) 生干擾。

上圖是電流型DAC上下相反的東西。

由于是共源共柵電流源，不容易受輸出 電壓的影響，可高精度化。

審核編輯：湯梓紅