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??? 當(dāng)我們在專門研究模數(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)的工程類院校修完其主干課程以后，您可能會認(rèn)為您已理解了這些電路的所有基本功能。大多數(shù)人均對 ADC 的工作原理有了一個很好的了解，但是對 DAC 的工作原理卻不太熟悉，它究竟有何功能呢？同樣，對于大多數(shù)人來說，DAC 只不過是一個輸入端為數(shù)字信號數(shù)據(jù)而輸出端為模擬信號數(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)相比一個電阻串架構(gòu) (string architecture) 所具有的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，反之亦然。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)計人員為其應(yīng)用選擇最佳的 DAC。
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??? 本文將對 DAC 的基本工作原理進(jìn)行闡述，并對您一直想知道的一些問題做出解答。
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??? 由于 DAC 通常被視為一個輸入端為數(shù)字信號數(shù)據(jù)而輸出端為模擬信號數(shù)據(jù)的“黑匣子”，所以在這一點(diǎn)上我就不多說了。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。串行接口（例如，對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流進(jìn)行串行傳輸?shù)?SPI 或 I2C 接口）就像是一個進(jìn)入“黑匣子”的項(xiàng)鏈或鏈條，而并行接口會將一個時鐘周期中所有的必要的比特數(shù)加載到該器件中。在該器件的另一端，模擬輸出信號為是一個電壓或一個電流，請參見圖 1。
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圖 1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要功能
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??? 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。然而，這兩種接口（串行接口或并行接口）均可以將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入到該器件中。
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??? 一旦數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)被輸入到黑匣子（第一個功能塊），那么輸入寄存器就會像串行-并行轉(zhuǎn)換那樣工作，或者在多通道器件中對該數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，直到該數(shù)據(jù)被傳輸至單個 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 寄存器將起到一個存儲器的作用，并對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)加以存儲。
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??? 在 DAC 設(shè)計之初，該 DAC 寄存器為一個保存數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的外部存儲器。如果沒有 該 DAC 寄存器，那么由于模擬電路的實(shí)時饋入，DAC 的輸出將隨著外部輸入總路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)會一直駐留在 DAC 寄存器之中。DAC 寄存器主要起到了一個觸發(fā)電路的作用。
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圖 2 基本的功能塊
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。通過一款基本的 R2R 架構(gòu)，就有可能生成一個電流輸出或電壓輸出；而電阻串架構(gòu)只能利用一個輸出緩沖器生成一個電壓輸出，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，沒有實(shí)施輸出緩沖器。
電阻串架構(gòu)
??? 顧名思義，電阻串架構(gòu)就是一個以串聯(lián)形式放置的一串電阻，以構(gòu)建一個電阻串。從理論上來說，您可能會需要 256 個電阻才能構(gòu)建一款 8 位 DAC (28 = 256)，（請參見圖 3 ）。
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圖 3 主要的電壓輸出電阻串架構(gòu)
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??? 提高精度也就是說要增加所需電阻的數(shù)量以構(gòu)建一個電阻串 DAC。對于一款 16 位DAC 而言，可能需要65,536 個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)計中，在一顆芯片上實(shí)施近 66,000 個電阻是不切實(shí)際的，對于當(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)計人員推出了其它更小的電路設(shè)計方案，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。該內(nèi)插式放大器用來代替輸出緩沖器。當(dāng)今的一些電阻串架構(gòu)擁有一個可用作放大器外部反饋環(huán)路的引腳。
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??? 圖3 顯示了一款包含了內(nèi)部輸出緩沖器的電阻串架構(gòu)，該緩沖器可生成相當(dāng)于數(shù)字輸入代碼的電壓輸出。
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??? 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)的另外一個優(yōu)點(diǎn)所在。
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??? 另一方面，由于電阻串設(shè)計的更高阻抗，所以其噪聲通常會高于 R2R 架構(gòu)的噪聲。設(shè)計人員還應(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。對于諸如馬達(dá)控制或過程控制的許多閉環(huán)應(yīng)用而言，一個典型的 4 LSB INL 就已經(jīng)足夠了。然而，對于其它應(yīng)用而言（如：自動測試設(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)。
R2R 架構(gòu)
??? R2R 架構(gòu)主要是由形成一個電阻梯形的并聯(lián)電阻組成。圖 4 顯示了一種可能的 R2R 梯形，這是一款乘法 DAC (MDAC)，其 R2R 梯形的頂部與外部參考電壓相連。訪架構(gòu)可以輸出一個相當(dāng)于數(shù)字輸入代碼的電流。
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圖 4 主要的電流輸出 R2R 架構(gòu)
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??? 在硅片中實(shí)施一個 R2R 梯形的另一種方法如圖 5 所示。其外部參考電壓沒有和 R2R梯形直接連接。根據(jù)不同的數(shù)字輸入代碼，開關(guān)將通過 R2R 網(wǎng)絡(luò)把參考電壓或接地電平連接至輸出緩沖器，該輸出緩沖器將所生成的電壓信號轉(zhuǎn)換成輸出電壓。
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圖 5 主要的電壓輸出 R2R 架構(gòu)
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??? 圖 5 所示的架構(gòu)只允許從 0V 到應(yīng)用外部參考電壓的單極輸出電壓（請注意，DAC 的電源電壓必須等于或高于參考電壓）。通過將接地電平連接至一個額外的外部負(fù)參考電壓可以對后來提及的架構(gòu)進(jìn)行修改，而通過修改該架構(gòu)則可以實(shí)現(xiàn)雙極運(yùn)行。圖 6 顯示了修改后的架構(gòu)。此種類型的架構(gòu)還可用于選擇靈活的參考電壓。雖然 VREFL 可以為負(fù)電壓，但不需要讓其為負(fù)電壓。但是，VREFL 必須要低于 VREFH。詳盡的描述與參數(shù)請參見現(xiàn)有的產(chǎn)品說明書，如：DAC7714 [1]。
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圖 6 主要的雙極 R2R 架構(gòu)
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??? R2R DAC 具有低噪聲和高精度的優(yōu)點(diǎn)，其可能會提供 ±1 LSB INL 的卓越精度和DNL 性能。而且，該架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高電壓輸出，MDAC 擁有較快的建立時間（小于 0.3 μsec），以及大于 10 MHz 的乘法帶寬。一般而言，其他 R2R 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅擁有中等的建立時間性能。
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??? 對于更寬泛的應(yīng)用范圍（如數(shù)控校驗(yàn)或工業(yè)可編程邏輯控制 (PLC)）而言，MDAC 在使用設(shè)計人員所選擇的外部輸出緩沖器方面的靈活性使該架構(gòu)類型更為有用。設(shè)計人員可以為特定的應(yīng)用挑選最佳的運(yùn)算放大器。另一方面，對于板上器件數(shù)量不斷增加的低阻抗連接而言，需要一個外部緩沖器。其次，與 R2R 架構(gòu)相比，突波能量當(dāng)然更適合電阻串架構(gòu)，因此，對于波形生成和其他突波能量敏感型應(yīng)用而言，很少采用 R2R DAC。
結(jié)論
??? 我們不但要考慮諸如增益誤差或偏移誤差等其他電氣規(guī)范，而且還要考慮隨著溫度變化而發(fā)生的漂移或滿量程誤差等重要的參數(shù)，這些參數(shù)通常與具體的架構(gòu)無關(guān)。為了有一個良好的開端，設(shè)計人員應(yīng)首先查看基本要求并問問自己對最低精度和線性度有何要求。如果是在閉環(huán)應(yīng)用中，那么一款較低成本且線性較差的電阻串 DAC 就足夠了；而如果是在開路應(yīng)用中，則 R2R 架構(gòu)在提供更佳的線性度和更高的精度方面就顯得更加出色。
參考書目
[1] TI 《DAC7741 產(chǎn)品說明書》，網(wǎng)址：www.ti.com/sc/device/dac7714
[2] TI 《放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器選擇指南》（修訂版 B），網(wǎng)址：http://focus.ti.com/lit/ml/slyb115b/slyb115b.pdf
[3] TI 《數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品規(guī)劃》，網(wǎng)址：www.ti.com/dataconverters