33DAC参数及其电路形式.docx

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33DAC参数及其电路形式

第三节数模转换器（DAC）

一.DAC的基本结构

数模转换器的基本功能是将输入的数字量D转换成与之唯一对应的模拟量A，用数学式可表示为：

A=P*D

式中P为变换系数。

图3.1DAC的基本结构

图中，输入数字量通过接口电路后控制模拟开关的各位的通断，从而改变转换网络的连接关系，使网络输出的电流大小和输入数字信号的大小成正比，其比例系数和基准电压有关。

通常使输出电流的大小正比于输入数字量和基准电压，此时构成的是线性数模转换器。

在许多应用场合，希望得到的是电压模拟信号，此时只要在电流输出端加一个电流/电压变换器，即可得到对应的输出电压。

电流/电压变换器通常采用运算放大器电路。

关键器件：

图中只有模拟开关、转换网络和基准电压源是必不可少的。

1.基准电压源

对基准电压源的要求主要是稳定性好。

转换器的输出和基准电压大小有直接的比例关系，因此基准电压的稳定性对转换器的精度有决定件影响，这在使用无内部电压基准源的转换器时坚持别注意，只有按该器件的要求配置基准电压，该器件提供的性能才有实际意义。

一般电压基准器件的温度漂移可做到10ppm／℃以下。

双极型器件结构的基准电压源主要有齐纳二极管型和带隙型两种，MOS型器件的基准电源也有许多种形式，但还达不到双极型器件构成的基准电压源性能。

表3.1ADI公司生产的部分基准电压源

AD584是根据带隙原理制成的电压基准，有4种可编程的输出电压：

10.000V，7.500V，5.000V和2.500V。

在芯片制作阶段经过激光调整，使输出电压的绝对精度可达±5μV，在-55～+125℃的整个温度范围内。

其温度系数典型值为10ppm／℃，在0～70℃范围内为5ppm／℃。

它的带载能力也较强，具有10mA的电流输出能力。

并且静态电流很小，最大只有1mA。

另外该器件成本也比较低。

用齐纳基准构成的典型电压源是AD2710系列。

通过混合工艺，将精密的低温度系数齐纳二极管、作为缓冲和放大用的低漂移运算放大器和精确匹配的电阻组合在一个封装内而构成高精度基准电压源。

AD2710的主要特点是温度漂移极低，可达到土1ppm／℃；只有很好的长期稳定性，可达到25ppm／1000小时；输出电压的预调精度达±1.0mV。

2.模拟开关

数模转换器中的模拟开关的类型有电压型、电流型和它们组合而成的组合型。

电压型开关在关断时，其开关两端电压直接取决于被换接的电压，因此若跨接于开关两端的寄生电容不可忽略时，则开关工作时要对寄生电容充放电，必然影响开关速度。

开关闭合时，流过开关的电流取决于开关回路的负载电阻。

电流型开关的特点是不管开关负载电阻的大小，流过开关的电流和被切换的电流相等，实际上在电流型开关的转换器设计中，被切换的电流通常是恒流源，它与电流开关无关，即开关对切换电流的影响很小，开关工作速度可以高。

而电压型开关导通后两端剩余压降直接影响被换接的电压有效值而产生误差。

因此在集成数模转换器中，大量采用电流型模拟开关，特别在高速转换器中。

模拟开关的主要特性参数有导通电阻、漏电流、寄生电容以及开启时间和关闭时间。

3.转换网络

数模转换器中，模拟开关由输入信号控制通断，从而改变转换网络的连接方式，转换网络按此连接方式把基准电压转换成对应的电流。

转换网络是数模转换器的核心，它的件能好坏直接影响转换器的精度。

转换网络的基本类型是加权网络和梯形网络。

前者如权电阻网络、权电容网络，后者如R-2R梯形电阻网络、倒梯形电阻网络等。

为了改善转换网络的性能，人们在上述两种基本网络的基础上，设计了各种改进型转换网络，例如权电阻和梯型电阻网络并用结构、分段梯形电阻网络、电流衰减型网络、电压分段式结构网络等。

二.DAC的主要技术指标

（1）分辩率（Resolution）指最小模拟输出量，（对应数字量仅最低位为‘1’）与最大量（对应数字量所有有效位为‘1’）之比。

（2）建立时间（SettingTime）是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间，也可以认为是转换时间。

DAC中常用建立时间来描述其速度，而不是AD中常用的转换速率。

一般地，电流输出DAC建立时间较短，电压输出DAC则较长。

其它指标还有线性度（Linearity），转换精度，温度系数/漂移。

三.DAC的分类

1.按主要性能指标分类

数模转换器常常按它的主要性能指标进行分类，如转换速度、转换精度、分辨率和功耗等。

（1）按转换速度分类：

数模转换器可分为低速（建立时间大于100us）、中速（建立时间在1--100us）、高速（建上时间在50ns--1us）和超高速（建立时间小于50ns）四种，这里的建立时间是指输入数字后到输出稳定到满量程的±1%所需时间。

（2）按转换精度分类：

可分为一般精度、高精度和超高精度型。

（3）按分辨率分类：

数模转换器可分为为6位，8位，10位，12位，14位，16位，18位，20位，22位等各种类型。

（4）按功耗分类：

数模转换器可分为一般型、低功耗型和微功耗型。

2.按转换原理（转换网络的类型）分类

（1）权电阻网络DAC

n位二进制数：

dn-1dn-2…d1d0。

n个电阻：

R，2R，…，2n-1R。

一个反相加法器。

转换网络总的输出电流是各支路电流的叠加，即：

优点：

权电阻DAC结构比较简单，所用元器件少。

缺点：

是网络中各电阻阻值相差大，最大电阻和最小电阻值之比达2n-1。

例如一个12位的上述结构的转换器，如电阻网络中最小电阻取10kΩ，则对应最低位的权电阻就达20.48MΩ，这样大比值的电阻用集成工艺制造是很困难的，无法用扩散电阻工艺实现，用薄膜电阻工艺也无法保证每个电阻的精度。

另外，这样大的电阻必然会影响转换速度。

这是由于信号电流在开关过程中要对寄生电容充放电，而最低位的电流又极小，使对寄生电容的充放电时间很长。

改进：

一般来说，为保证阻值精度，用集成工艺制造的电阻比值最好不超过20倍。

因此权电阻网络的结构只适用于位数少的数模转换器。

若输入数字量的位数较多，可采用多级结构。

四位成一组，每组电阻为R，2R，4R，8R。

组间串入电阻8R，以使低位组电流衰减。

一个8位输入的双级权电阻网络数模转换器如下图所示。

双级权电阻网络DAC

（2）.梯形电阻网络数模转换器

优点：

只有R和2R两种电阻，克服了权电阻网络电阻值种类多的缺点。

缺点：

但本身也存在一些不足。

例如输入数字信号发生变化时，引起模拟开关闭合位置发生变化，从而使2R中的电流发生变化，并在网络中传输。

梯形电阻网络相当于传输线，从模拟开关动作到梯形电阻网络建立起稳定输出需要一定的传输时间，转换器的位数越多，梯形网络的级数就越多，所需传输时间就越长，因此在位数较多时将直接影响数模转换器的转换速度。

另外当输入数字信号有n位同时发生变化时，由于各级信号传输到输出端的时间不同，因而在输出端可能产生瞬时尖峰脉冲，这对很多应用领域都是不利的，克服上述缺点的一种方法是采用倒梯形电阻网络的数模转换器。

四位梯形电阻DAC

（3）.倒梯形电阻网络数模转换器

四位倒梯形数模转换器原理图

图中，对于输入信号中为0的位，模拟开关被控制合向地，对于输入信号中为1的位，对应模拟开关合向“虚地”点，即运算放大器的反相输入端。

出此模拟开关不管合向哪一边，其连接的电位都是“地”，使网络中每个支路电阻上的电流始终不变，因而从基准电压VR流入网络的总电流I也是不变的，由于网络的等效电阻是R，故总电论I的大小为：

I=VR/R

优点：

输入信号的变化，不改变倒梯形电阻网络各支路电流的大小，只是切换电流的流向，输入信号中为“1”的位，对应支路电流都直接流向运算放大器反相端而形成输出电压。

输入信号中为“0”的位，

对应支路电流流向地。

各支路电流到达网络输出点几乎是同时的，不但使转换器速度提高，而且减小了可能出现的尖峰脉冲。

这些优点使倒梯形网络成为DAC转换器中广泛采用的电路形式。

（4）电压分段式DAC转换器

虽然倒梯形电阻网络数模转换器有很多优点，但要制成严格单调的尚分辨率转换器、需要网络中电阻的精密匹配，用—般的工艺是很难实现的。

采用电压分段式结构可保证数模转换器的单调性。

电阻分压式DAC

缺点：

对于n位二进制输入的这种分压式转换器，其分压电阻应有2n个，并需要2n个模拟开关。

因此随着位数增加，所需元器件数量急剧增加。

优点：

转换器只要一种电阻值，容易保让制造精度，即使阻值有较大的误差，也不会出现非单调性。

另外，转换速度快也是它的一个特点。

针对上述元器件数量多的缺点。

提出了电比分段式结构，即把分压器设成两级。

下图中，左边四个电阻构成第一级分压器，右边四个电阻构成第二级分压器。

S0，S1是和第一级分压器相连的模拟开关，出输入信号D（d3d2d1d0）的高二位d3d2的译码输出控制，完成段选择。

S2是和第二级分压器相连的模拟开关，由低位信号d1d0的译码输出控制，完成抽头选择。

电压分段式DAC转换器

分析：

先看段选择。

当d3d2分别为00，01，10，11时，通过译码器，控制模拟开关S0S1的位置分别对应为P0P1，P2P1，P2P3和P4P3。

即身S0S1在d3d2的控制下交替切换到分压点上，并总是连接在相邻的两个分压点上，它们间的电压（段电压）始终为VR/4。

其下分压点分别是P0，P1，P2和P3。

可见下分压点的对地电压与d3d2组成的二进制数成正比。

再看第二级分压器部分，它的基准电压是由第一级分压器上的段电压通过射极跟随器产生的，大小为VR/4。

其分压点电压经模拟开关S2输出。

S2切换到哪—个分压点由d1d0控制，即随着d1d0的增大，S2切换点和第二级分压器基准电压低电位端（即一级分压器的下端点）间的电压（抽头电压）也单调增加，且该电压和d1d0组成的上进制值成正比。

优点：

由于段选择和抽头选掸都是单调的（单一电阻），从而保证了

输出电压的单调性。

可以看出，采用分段结构使分压电阻大大减少，对n位输入的转换器，分压电阻数量从2n减少到2×2n。

同时模拟开关的数量也大大减少。

这种结构—般用于对单调件要求严格的高分辨率数模转换器。

（5）权电容型DAC

在逐次逼近型ADC中加以详细介绍。

如：

MAX195（SARADC）中的DAC就是采用电荷重分布式DAC。

3.其它分类

DAC转换器的内部电路构成无太大差异，一般还可按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。

大多数DAC转换器由电阻阵列和n个电流开关（或电压开关）构成。

按数字输入值切换开关，产生比例于输入的电流（或电压）。

此外，也有为了改善精度而把恒流源放入器件内部的。

一般说来，由于电流开关的切换误差小，大多采用电流开关型电路，电流开关型电路如果直接输出生成的电流，则为电流输出型DA转换器，如果经电流—电压转换后输出，则为电压输出型DA转换器。

此外，电压开关型电路为直接输出电压型DA转换器。

（1）电压输出型DAC（如TLC5620）

电压输出型DAC转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。

直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故常做为高速DAC转换器使用。

（2）电流输出型DAC（如THS5661A）

电流输出型DAC转换器很少直接利用电流输出，大多外接电流—电压转换电路得到电压输出，后者有两种方法：

一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流—电压转换，二是外接运算放大器。

用负载电阻进行电流—电压转换的方法，虽可在电流输出引脚上出现电压，但必须在规定的输出电压范围内使用，而且由于输出阻抗高，所以一般外接运算放大器使用。

此外，大部分CMOSDAC转换器当输出电压不为零时不能正确动作，所以必须外接运算放大器。

当外接运算放大器进行电流电压转换时，则电路构成基本上与内置放大器的电压输出型相同，这时由于在DAC转换器的电流建立时间上加入了运算放大器的延迟，使响应变慢。

此外，这种电路中运算放大器因输出引脚的内部电容而容易起振，有时必须作相位补偿。

（3）乘算型DAC（如AD7533）

DAC转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型DAC转换器。

乘算型DAC转换器一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。

（4）一位DAC转换器（脉冲宽度调制PWM）

一位DAC转换器与前述转换方式全然不同，它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出（又称位流方式），用于音频等场合。

四.DAC芯片实例

TCL5620：

四通道8位电压输出DAC/TI公司

芯片实例：

12位,100MSPS,D/A转换器电流输出/TI公司

芯片实例：

AD7533低成本CMOS10位乘法D/A转换器

五.高速和高精度DAC小结

数模转换器件的速度高达500MHs，分辨率达22位。

集成数模转换器的主要功能单元有模拟开关，权电流产生电路、基准电源和输出电路。

模拟开关的基本类型有电压型和电流型两种。

电压型模拟开关工艺上易于实现，电流型开关在切换时速度快。

按数模转换器中权电流发生电路的形式分，常见的类型有权电阻网络，权电容网络，梯形电阻网络，权电阻网络和梯形电阻网络并用型，电流分割权电阻网络，电压分段型，电流源阵列型等。

在DAC转换器电路中，电阻不完全匹配是误差的一个主要来源。

在集成电路中，阻值的绝对误差较大，而同一片内的电阻相对误差较小。

这种误差分布形式有利于构成R—2R阶梯电阻网络，而不适宜于形成电阻加权网络。

为了进一步减小电阻的匹配误差，现代DAC转换芯片大都采用激光修正电阻，进一步改善电阻的匹配。

其它：

还有采用精密薄膜技术等措施来改善电阻品质，如温度系数，目的都是为了保持在工作温度范围内电阻的匹配性能。

为满足高速DAC器件的转换速度要求，数字部分大都采用ECL逻辑，特别是转换速度大于100MHz的器件。

有的还采用了特殊的集成电路制造技术，例如DAC650就采用了砷化镓半导体与硅半导体的混合设计技术。

那些决定器件速度的电路采用了砷化镓半导体场效应管，例如寄存器、数据译码器和电流开关等。

而对那些决定器件精度的电路采用复膜的硅片，例如精密基准电压源和电流源，这样两种半导体的混合设计既保证转换的高速度，又保证了设计的精度。

在MAX555中也有类似的设计。

与高速DAC相类似，高精度DAC几乎都采用分段式结构。

由于它的分辨率都较高速DAC器件高2—10位，分段式结构对它更有意义。