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2020-12-06 什麼值得買

本文經電子發燒友授權轉載，原標題《數模轉換器的基本原理及DAC類型簡介》，未經允許請勿轉載。

數模轉換器（DAC）是將數字量轉換成模擬量，完成這個轉換的器件叫做數模轉換器。本文將介紹數模轉換器的概念、原理、主要技術指標以及不同類型DAC特點進行介紹。

數模轉換器的概念

經數字系統處理後的數字量，有時又要求再轉換成模擬量以便實際使用，這種轉換稱為「數模轉換」。完成數模轉換的電路稱為數模轉換器， 簡稱 DAC（Digital to Analog Converter）。

DAC的工作原理框圖

DAC 中的基本概念

解析度

DAC中的解析度定義為在不同的輸入數字碼值下所有可能輸出的模擬電平的 個數，N位解析度意味著DAC能產生2 N 1 個不同的模擬電平，一般情況下它就指輸入 數字碼的位數。

失調和增益誤差

失調定義為當輸入0碼值時實際輸出的模擬信號的值，增益誤差定 義為當扣除失調後理想的滿量程輸出的值和實際輸出的值的差，如圖所示。

DAC的失調和增益誤差

精度

DAC中的精度分為絕對精度和相對精度。絕對精度定義為理想輸出和實際輸出之 間的差，包括各種失調和非線性誤差在內。相對精度定義為最大積分非線性誤差。精度表示為滿量程的比例，用有效位數來表示。例如8-bit 精度表示DAC的誤差小於DAC輸出滿量程的 1/8 2 。注意精度這個概念和解析度不相關。一個12-bit 解析度的DAC可能精度只有10-bit；而一個10-bit解析度的DAC可能有12-bit的精度。精 度大於解析度意味著DAC的傳輸響應能夠被比較精確地控制。

積分線性誤差（INL－Integral Nonlinearity）

當除去失調和增益誤差後，積分線性誤差就定義為實際輸出傳輸特性曲線對理想傳輸特性曲線（一條直線）的偏離。如圖所示。

DAC的積分和微分線性誤差

微分線性誤差（DNL－DifferenTIal Nonlinearity）

在理想的DAC中，每次模擬輸 出變化最小為1LSB，微分線性誤差定義為每次模擬輸出變化最小時對1LSB的偏離（將增 益誤差和失調除外）。我們定義的DNL是對每個數字輸入碼值而言的，有時也有用最大 的DNL來定義整個DAC的DNL。理想的DAC對於每個數字輸入其微分線性誤差均為0， 而一個具有最大DNL為0.5LSB的DAC的每次最小變化輸出在0.5LSB到1.5LSB之間。如圖DAC的積分和微分線性誤差所示。

抖動能量（Glitch Impulse Area）

輸入信號變化以後在輸出端出現的抖動下的 最大面積。

建立時間（Settling TIme）

在最終值的一個特定的誤差範圍之內，輸出經歷滿 幅轉換所需要的時間。

單調性

一個單調的DAC指隨著輸入數字碼值增加輸出模擬電平一直增加DAC。如果 最大的DNL控制在0.5LSB以內，那麼DAC的單調性自然能得到保證。

偽動態範圍（SFDR）

SFDR就是Spurious Free Dynamic Range，即無噪聲和諧波的動態範圍。噪聲和諧波都稱為偽信號（Spurious）。

數模轉換原理

將輸入的每一位二進位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然後將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數字量成正比，這樣便實現了從數字量到模擬量的轉換。

其中

為二進位數按位權展開轉換成的十進位數值。

數模轉換器的構成及不同類型數模轉換器的特點

DAC 主要由數字寄存器、模擬電子開關、位權網絡、求和運算放大 器和基準電壓源（或恆流源）組成。用存於數字寄存器的數字量的各 位數碼，分別控制對應位的模擬電子開關，使數碼為 1 的位在位權 網絡上產生與其位權成正比的電流值，再由運算放大器對各電流值求和，並轉換成電壓值。

根據位權網絡的不同，可以構成不同類型的 DAC，如權電阻網絡 DAC、R–2R 倒 T 形電阻網絡 DAC 和單值電流型網絡 DAC 等。 權電阻網絡DAC 的轉換精度取決於基準電壓VREF，以及模擬電子開 關、運算放大器和各權電阻值的精度。它的缺點是各權電阻的阻值都 不相同，位數多時，其阻值相差甚遠，這給保證精度帶來很大困難， 特別是對於集成電路的製作很不利，因此在集成的 DAC 中很少單獨使用該電路。

模數轉換器的主要技術指標

DAC 的轉換精度與轉換速度：轉換精度 在 DAC 中一般用解析度和轉換誤差來描述轉換精度。

解析度

一般用 DAC 的位數來衡量解析度的高低，因為位數越多，其輸出電 壓vO的取值個數就越多（2n 個），也就越能反映出輸出電壓的細微變化，分辨能力就越高。

此外，也可以用 DAC 能分辨出來的最小輸出電壓 1 LSB 與最大輸出 電壓 FSR 之比定義解析度。即

該值越小，解析度越高。

轉換誤差

轉換誤差是指實際輸出的模擬電壓與理想值之間的最大偏差。常用這 個最大偏差與 FSR 之比的百分數或 若干個 LSB 表示。實際上它是三種誤差的綜合指標。

轉換速度

轉換速度一般由建立時間決定。從輸入由全0 突變為全1 時開始，到 輸出電壓穩定在 FSR± LSB 範圍（或以 FSR±x％FSR 指明範圍）內 為止，這段時間稱為建立時間，它是DAC 的最大響應時間，所以用它衡量轉換速度的快慢。

數模轉換器的構成

DAC 主要由數字寄存器、模擬電子開關、位權網絡、求和運算放大器和基準電壓源（或恆流源）組成。用存於數字寄存器的數字量的各 位數碼，分別控制對應位的模擬電子開關，使數碼為 1 的位在位權網絡上產生與其位權成正比的電流值，再由運算放大器對各電流值求和，並轉換成電壓值。

根據位權網絡的不同，可以構成不同類型的 DAC，如權電阻網絡 DAC、R–2R 倒 T 形電阻網絡 DAC 和單值電流型網絡 DAC 等

DAC 的各種拓撲結構

電阻型

結構如圖1所示。圖1所示的是一個R-2R階梯網絡型的轉換器。其優點在於能實現很好的線性度，由於所有的電流源都是等值的，我們可以用特殊的附加技術使它們間 誤差較小，與電阻分壓相比其結構簡單得多。缺點是電阻總是非線性的，還包含著和信 號有關的寄生電容，要做到完全匹配較難。同時速度受到輸出緩衝器的限制，速度做不到很高。

圖1 電阻型DAC的結構圖

電容型

結構如圖2所示。最高位的電容CN 是最低位電容C1的 1 2N 倍。優點是功耗較小， 匹配精度比電阻高。主要的限制因素是電容的不匹配，開關的導通電阻，較大RC延遲 以及放大器有限帶寬對DAC速度的影響。電荷分配型DAC的一個主要缺點是CMOS工 藝中的電容實現起來要佔很大的晶片面積。最後由於CMOS工藝中的電容本質是非線性 的，總的DAC的線性度將受到抑制。適用於中寬帶高精度。

圖2 電容型DAC的結構圖

電流型

結構如圖3所示。其優點是當精度小於10位時能將面積做得很小，速度不受放大 器帶寬和較大RC延遲的限制，可達到很高的速度，由於所有的電流都直接流向輸出端， 所以能量的使用效率很高，且容易實現。缺點是對器件不匹配性的敏感和有限的電流源輸出阻抗。適合高速寬帶的要求。

輸出時也可以不採用運算放大器，直接利用負載電阻將電流轉換成電壓輸出，如圖4所示。這種形式使得DAC的速率可以不受運放帶寬的限制。

圖3 電流型DAC的結構圖

圖4 輸出直接利用負載電阻進行轉換

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