一文了解DAC

ittbank 2022-01-24 17:50

什么是D/A转换器?


1. D/A转换器

D/A转换器(Digital-to-Analog Converter, DAC)是指将数字(Digital)量转换为模拟(Analog)量的元器件。


数字量

相同间隔不连续的量
时间上离散、量方面离散

模拟量(自然界的现象)

大小连续的量
时间上连续、量方面离散



2. A/D转换器

A/D转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)与D/A转换器相反,是指将模拟量转换为数字量的元器件。



A/D转换,D/A转换的必要性


1. IC动向

电气高精度处理、高速处理在CPU、DSP中以数字方式进行信号处理。
从自然界现象进行A/D转换及数字信号处理,处理后为转换为自然界值,搭载了D/A转换器。



微细加工技术的进步→信号处理的数字化→需要A/D转换器, D/A转换器




2. 使用D/A转换器的产品例

Digital AudioCD, MD, 1-bit Audio
Digital VideoDVD, Digital Still Camera
通信设备智能手机、FAX、ADSL设备
电脑声源、显卡
测量仪器可编程电源 etc…


D/A转换方式的种类


D/A转换器有各种实现方法。

1. 使用电阻的产品

电阻元件是在IC上易处理的模拟设备。
比精度也比较好,无需修整就可以实现高达约10bit的精度。
由于选择合适的电阻值,从低速到高速,可涵盖的范围很广。

2. 使用电容器的产品

在一般IC中由于电容器比电阻的相对精度高,在中高精度的D/A转换器中使用的比较多。
为了获取更高的精度,必须要大电容,充放电时长时间加速比较困难。
另外,在低频时为了补充泄漏电流,需要不断更新,所以工作变得复杂。

3. 使用电流的产品

这是面向高速(数MHz~)用途的变换方式。根据数字输入,通过开关电流源来切换输出电流。
输出电流是用电阻、运算放大器来进行电流-电压的变换。

4. 过采样方法

面向高精度(16bit~)用途的变换方式。
这是过滤了低分辨率和高采样率的输出,从而得到所期望的模拟信号。
用"0"和"1"2个值输出和低通滤波器来构成的1bitΔ-Σ的方法是常见的。


D/A转换器的基本形式1(解码器系统)


把变换后的数字值传送给电路称作解码器系统。




【电阻分压方法DAC例】


在最简单的DAC中,也有被称作电阻串。
下图是一个在3bit分辨率(Resolution)的DAC中,用电阻分压,在开关中选择一个地方的方法。
如果把电阻值变小,提高后续阶段的缓冲放大器,虽然可能高速工作,但由于在高分辨率中的开关寄生电容的限制,而导致工作速度降低。
优点是出色的线性度,原则上,必须保证单调增加性。
缺点是根据分辨率,电路规模成倍的增大。
在3bit中需要8个电阻和开关,4bit中需要16个电阻和开关…在10bit中需要1024个电阻和开关。





【两级 电阻分压方法DAC例】


电阻分压式DAC分成两级配置。
下图是6bit分辨率的DAC中,在第一级(左)Vref-GND之间选择一个电阻的两端(图中选择了从上数下来第三个电阻的两端)。
在第二级(右)中,这个电压再进一步 分压,从而获得了精细的分辨率。
优点是比起一级结构,由于控制了电路 规模,构成6bit的DAC所需要的电阻和开关数量控制在16个和18个(电阻分压方法的情况下,无论哪个都需要64个)。
由于每增加一个级数就必须追加2个放大器,所以要权衡电阻和开关减少量进行选择。
缺点是增加了恶化作为DAC特点的因素。
比如速度,两个放大器会延迟。
输出电压的精度可能会产生两级放大器的偏移。




D/A转换器的基本形式2(二进制方式)


通过接收数字值工作的电路系统叫做二进制方式。


1. 二进制方式 <使用电阻的情况>

二进制方式是根据电路的构成带有加权数据,以下图R-2R梯形电路为代表性例子。
R-2R梯形电路为了无论从哪个节点都可以看到电阻值2R的并联,每个节点的电流值都逐渐减半。




【R-2R梯形DAC例】


下图是拥有4bit分辨率的R-2R梯形DAC。
优点是在小面积中可容易做出分辨率为10bit左右的DAC(所需电阻在Nbit的DAC中需要3N个,开关不用很大,也无需解码器),与其他方法相结合,如果是14bit左右的话可以实现。
缺点是为了电阻的高相对精度,在实现高精度时需要对开关(MOSFET的尺寸)和布局(R和2R的匹配性很重要,特别是MSB侧=AO侧的电阻必须准确制作)下功夫。



2. 二进制方式 <使用电容器的情况>

下图是为了展示使用了电容器的DAC想法的概念图。
这个DAC需要在开关切换时使用。




【使用了2NC电容器的DAC例】


下图是使用了电容器、4bit分辨率的DAC例子。A0~A3无论哪个开关倒向Vref侧,都能得到不同的Vout电压。此时,放大器右边的两个开关同时ON,为了破坏电荷守恒的关系,在时钟信号下导通时间需要不重叠。
优点是由于电容器的相对精度高,容易获得高精度,另外为了电容器内不产生直流电流,低频时只有放大器电流可低电流消耗。
缺点是为了电容器充电和放电,不适用于加速, 在低速时为了弥补漏电流,必须要刷新操作。刷新控制需要对维持刷新中的输出电压等下功夫。





【用了2NC电容器的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. 二进制方式 <使用电阻-电容器的情况>


【电阻-电容器混合型 DAC例】


拥有在电阻串DAC部分(左)3bit,电容器DAC部分3bit,共6bit分辨率的混合型DAC。上位bit的电阻间的电压根据下位数据加权插值。
优点是可得到高分辨率。





D/A转换器的基本形式3(温度计码方式)


数据切换的瞬间,完全不同的电压(或电流)输出,在输出模拟信号中产生噪声。这个噪音叫做干扰。这个干扰的解决方案之一是使用温度计码(Thermometer code)。



温度计码是指"看有多少个1来表示数字"的事物。(就像人们数数时,竖起手指数一样)
能够抗干扰,但二进制代码转换为温度计码时,解码器根据分辨能力,呈指数的电路规模。




【温度计码 <电阻模式>DAC例】


使用了温度计码的3bit分辨率DAC例子。
当然不会产生干扰。





【温度计码 <电流模式>DAC例】


在若干单元格中拉动电流时决定了输出 电压Vout电流型DAC。
下图是8x8的64灰度级=6bit分辨率的例子。
粉色部分增加时,从R拉动的电流增加, Vout下降。
根据温度计码的控制,在Vout中不会产 生干扰。



上图是电流型DAC上下相反的东西。
由于是共源共栅电流源,不容易受输出 电压的影响,可高精度化。