DAC_ADC模数及数模转换器的发展综述

DAC_ADC模数及数模转换器的发展综述

1 概述

随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展普及，在现代控制、通讯及检测领域中，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际处理对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量往往也需要将其转换成为相应的模拟信号才能为执行机构所接收。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路——模数转换电路或数模转换电路。

能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称ADC转换器）；而将能反数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器（简称DAC转换器），ADC转换器和DAC 转换器已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路。

2 数模转换电路

2.1 数模转换电路原理

数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字—模拟转换。这就是构成DAC转换器的基本思路。

2.2 数模转换电路的主要性能指标

DAC转换器的主要性能指标有：转换速度、转换精度、抗干扰能力等。在选用D/A转换器时，一般应根据上述几个性能指标综合进行考虑。

2.3 二进制加权架构

从概念上讲，最简单的DAC采用的是二进制加权架构，在该架构中，将n个二进制加权元件（电流源、电阻器或电容器）进行组合以提供一个模拟输出（n = DAC分辨率）。这种架构虽然最大限度地减少了数字编码电路，但MSB和LSB加权之间的差异却随着分辨率的增加而增大，从而使得元件的精确匹配变得很困难。采用该架构的高分辨率DAC不仅难以制造，而且还对失配误差很敏感。

2.4 开尔文（Kelvin）分压器架构

开尔文分压器架构由2的n次方个等值电阻器组成，与二

进制加权法相比，这种架构简化了匹配处理（见图1）。电阻器

具有相等的阻值，因此必须对输入进行编码。输出是通过对2

的n次方个开关中的一个进行解码以便将其接入电阻器串的某

一特定位置的方法来决定的。

该架构的优点是其所具有的完全单调、电压输出和低干扰

（因为在每个代码变换过程中只有两个开关处于操作状态）特

性。如果所有的电阻器都具有相同的阻值，它还将是线性的。

一种相关的电流输出架构采用2的n次方个并联于一个基准电

压与虚拟地之间的电流源。

这种架构的主要缺点是它需要大量的电阻器和电流源。对于8位以上的分辨率，该架构在外形尺寸和匹配方面的劣势令人望而却步。不过，虽然不适用于较高的分辨率，但此类被称为“全解码型”的架构常被用作更加复杂的“分段式”D AC的积木式部件。

2.5 分段式DAC

分段式架构可被用于电流输出和电压输出DAC。

可以对开尔文分压器电路中的解码电阻器两端的电压

做进一步的细分以构成一个电压分段式DAC。这种电

压的细分能够通过增设第二个开尔文分压器电路（在

这种场合，该架构被称为开尔文-华莱分压器）或采用

一种不同的架构来实现（见图2）。

只要每个单独的分段是单调的，则整个DAC的输

出都将保持单调。由于单独的分段具有较低的分辨率，

所以容易实现单调性。

分段式架构所带来的额外好处是所需电阻器数量

的减少（对于给定的分辨率而言）以及硅片尺寸的压

缩。因此，对高分辨率DAC进行分段是司空见惯的做法。其总体线性度仍然由电阻器匹配来决定。

2.6 R-2R型电阻网络架构DAC

R-2R型（即梯形网络）架构简化了电阻器匹配要求，

因为当转换系数为2:1时只需要两个电阻器值。R-2R型架构可被用作一个电压模式或电流模式DAC。R-2R型电阻网络DAC由于只用R和2R两种阻值的电阻，克服了二进制权电阻DAC阻值范围宽的缺点。

2.6.1 电流模式

大多数R-2R电流模式架构基于图3a所示的电路。一个外部基准被施加于Vref引脚。R-2R梯形网络将输入电流分割成二进制加权电流。

根据数字输入的不同将这些电流导引至节点1或节点2。电流输出节点通常与一个被配置为电流-电压转换器的运算放大器相连。出于匹配的原因，运算放大器反馈电阻器常常被集成在DAC芯片上。

开关始终处于地电位，而且，其额定电压并不影响基准额定电压。如果开关被设计成能够在两个方向上传输电流，则可将一个AC信号用作基准，从而形成一个复用DAC。Vref的输入阻抗是恒定的，且与R相等。

该架构的缺点是由运算放大器所引起的反相以及复杂的运算放大器稳定性问题，其原因是DAC输出阻抗会随数字输入的变化而变化。由于开关直接与输出相连，因此电流模式操作还会导致更加严重的干扰。

2.6.2 电压模式

电压模式R-2R型DAC在Vref与地之间对电阻器进行开关操作。基准电压被施加在节点1上。梯形网络上的每一级提供一个二进制记数值，输出在梯形网络的末端以累积电压的形式获得（见图3b）。输出电压具有恒定的阻抗，从而简化了放大器的稳定处理。

一个正基准电压将提供一个正输出，因而使单电源操作成为可能。最大限度地减轻了由开关电容所产生的干扰。缺点是基准输入阻抗的变化范围很宽，因此必须采用一个低阻抗基准。同样，开关的工作电压在地电位至Vref之间，从而限制了基准的容许范围。

对于高分辨率DAC，常见的做法是将一个R-2R梯形网络架构与一个全解码型DAC组合在一个分段式架构中。比如，16位分辨率的AD7564就是最先采用全解码型4位电阻器串与12位R-2R型架构相组合的DAC之一。65 536级输出电平被分成16组（每组4096级）。

4位处理部分的单调性是由设计来提供保证的，因此12位R-2R型DAC决定了总体单调性。与全16位DAC相比，匹配和修整都要容易得多。分段式架构减少了电阻器总数并简化了高分辨率DAC的修整。