新书上线!《ADC和DAC的基本架构》带你夯实数据转换的基础

亚德诺半导体 2022-01-12 10:57

提问:


>>>如何连接模拟世界与物理世界?


工程师们会毫不犹豫地给出答案——使用ADC与DAC。模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)是将模拟信号转换成数字信号或将数字信号转换成模拟信号的器件。在此方面,ADI公司拥有齐全的数据转换器产品系列,DAC涵盖8位至24位,面向工业自动化、可编程逻辑控制器、光收发器、数据采集等各种应用,能够提供精确可靠、无与伦比的转换性能和价值;ADC可在各类应用中实现精确可靠的转换性能,包括通信、能源、医疗、仪器仪表和测量、电机和功率控制、工业自动化等。


为更好地帮助工程师朋友们完成产品选型到电路设计的项目各阶段,ADI推出《ADC和DAC的基本架构》一书,旨在梳理 ADC 和 DAC 使用中相关的基础要点以及构架示例。


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《ADC和DAC的基本架构》



DAC架构探讨
精彩摘抄

Part 01

                    
          

与其将DAC视为具有数字输入和模拟输出的黑匣子,不如了解当今所用的DAC基本架构,这样将更有利于应用,而且能简化选型过程,否则考虑到市场上数不胜数的DAC,产品选型可能非常棘手。在《ADC和DAC的基本架构》的本节内容中,将主要讨论DAC不同基础架构——“串”DAC、“温度计”DAC、二进制DAC、分段DAC……


如图一所示,使用由2N个等值串联电阻和2N个开关(通常为CMOS),就可以组成最简单的DAC结构——开尔文分压器或串DAC。这种架构非常简单,具有一个电压输出(但输出阻抗与代码相关),本身具单调性,即使电阻意外短路,输出n也不会大于输出n+1。将其稍作改动,便可得到一个“数字电位计”(图二)


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图1.电压输出温度计DAC  >  图2.“数字电位计”

随着高分辨率逐渐成为需求,二进制加权DAC与分段DAC构成了现代精密和高速DAC的支柱架构。1970年,ADI公司推出了AD550“μDAC”单芯片四通道(4位)电流开关构建模块IC,如图9所示。注意,二进制加权电流是利用一个外部薄膜网络产生,而片内激光调整薄膜电阻技术直到数年后才开发出来。晶体管面积成比例(8:4:2:1),从而确保所有晶体管的电流密度相等,以实现最佳VBE匹配。这些早期IC DAC所建立的基本电路原理至今仍然广泛适用。


图3.AD550“μDAC”四通道开关

当需要设计一个具有特定性能的DAC时,很可能没有任何一种架构是理想的。这种情况下,可以将两个或更多DAC组合成一个更高分辨率的DAC,以获得所需的性能。这些DAC可以是同一类型,也可以是不同类型,各DAC的分辨率无需相同。原则上,一个DAC处理MSB,另一个DAC处理LSB,其输出以某种方式相加。这一过程称为“分段”,这些更复杂的结构称为“分段DAC”。


图4.基于两个3位温度计DAC的6位电流输出分段DAC


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DAC接口原理
精彩摘抄

Part 02

                    
          

越来越多的人简单地将DAC视作具有数字输入和一个模拟输出的器件。但模拟输出取决于是否存在称为基准电压源的模拟输入,且基准电压源的精度几乎始终是DAC绝对精度的限制因素。在匹配基准电压源和数据转换器时,基准电压源向导(Voltage Reference Wizard)等设计工具非常有用。


各种各样的ADC和DAC以各种各样的方式支持使用外部基准电压源来替代内部基准电压源。下图提供了一些常见配置——需要外部基准电压源的转换器;内置基准电压源的转换器;采用内部或外部基准电压源但需要额外封装引脚的转换器;外部基准电压源;使用单个封装引脚以外部基准电压源来覆盖驱动内部基准电压源;接外部基准电压源来覆盖内部基准电压源……


图5.常见的ADC/DAC基准电压源选项

DAC的模拟输出可能是电压或电流。两者情况下,可能都需要知道输出阻抗。设计良好的基准电压源可以在采用重容性去耦时保持稳定。不幸的是,有些基准电压源并不能做到这点,并且电容越大,瞬态响铃振荡量实际上会增加。由于转换器几乎都需要一定的本地去耦,因此此类基准电压源在数据转换器应用中实际上毫无用处。基准电压源和数据转换器之间可以添加合适的运算放大器缓冲器。不过,有很多品质良好的基准电压源可以在使用输出电容时保持稳定。数据转换器应用中应当选择这种类型的基准电压源,而不是进一步提高运算放大器的复杂性和成本。


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ADC结构分析
精彩摘抄

Part 03

                    
          

根据类型的不同,ADC架构有多种分类:Flash转换器;逐次逼近型ADC;Σ-Δ型ADC;流水线式分级ADC;折叠型ADC;计数ADC;积分ADC……


其中,逐次逼近型ADC一直是数据采集系统的主要依靠。近期设计改良使这类ADC的采样频率扩展至兆赫领域且分辨率为18位。随着逐次逼近型ADC日益受欢迎,其分辨率、采样速率、输入/输出选项和成本开始出现多样化。现在,很多SAR ADC提供片上输入多路复用器,非常适合多通道数据采集系统。



图6.18位2-MSPS开关电容PulSAR® ADC AD7641


而Σ-Δ型ADC是现代语音频带、音频和高分辨率精密工业测量应用所青睐的转换器。高度数字架构非常适合现代细线CMOS工艺,因而允许轻松添加数字功能,而又不会显著增加成本。



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《ADC和DAC的基本架构》一书中,还有更多关于非线性DAC、直接数字频率合成基本原理、电压频率转换器等多个章节,欢迎下载学习。



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亚德诺半导体 Analog Devices, Inc.(简称ADI)始终致力于设计与制造先进的半导体产品和优秀解决方案,凭借杰出的传感、测量和连接技术,搭建连接真实世界和数字世界的智能化桥梁,从而帮助客户重新认识周围的世界。
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