了解R2R和电阻串DAC架构之间的差异

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  数模转换器均采用两种基本架构,您对其特性的了解将有助于为应用选择正确的转换器架构。

 

  由于大多数工程师都在工程类院校专门学习过有关模数转换器(ADC)、运算放大器(Op Amp)、数模转换器(DAC)以及其他电子架构的课程,因此您可能会认为他们已理解了这些电路的所有基本功能。大多数人都对 ADC 的工作原理有了一个很好的了解,但是对 DAC 的工作原理却不太熟悉,它究竟有何功能呢?

 

  同样,对于大多数人来说,DAC 只不过是一个输入端为数字信号数据而输出端为模拟信号数据的“黑匣子”。只有为数不多的人知道其在架构方面的区别,以及与 R2R梯形架构相比一个电阻串架构所具有的优点和缺点。了解他们之间的不同之处并了解这些通用 DAC 的工作原理可以使设计人员为其应用选择最佳的 DAC。本文将对 DAC 的基本工作原理进行阐述,并对您一直想知道的一些问题做出解答。

 

  尽管 DAC 通常被视为一个输入端为数字信号数据而输出端为模拟信号数据的“黑匣子”,但却内藏玄机。数字数据可以是串行数据格式也可以是并行数据格式。像 SPI 或 I2C 之类串行传输数字数据流的接口,就像是一条条进入“黑匣子”的项链或链条,而并行接口会在一个时钟周期内将所有必要的比特加载到该器件中。与该器件的另一侧,模拟输出信号可以是一个电压或一个电流,如图1 所示。

 

   图1 数模转换器的主要功能

 

  不同的输入接口所提供的数据格式也有所不同,所以在速度、引脚数量、芯片面积、器件尺寸以及灵活性上都有很大的不同。但是,串行和并行接口均能将数字数据输入到该器件中。

 

  一旦数字数据被输入到黑匣子(第一个功能块),那么输入寄存器就会像串行-并行转换那样工作,或者在多通道器件中对该数据进行存储,直到该数据被传输至单个 DAC 寄存器中。在输入寄存器和 DAC 架构之间起连接作用的 DAC 寄存器将起到一个存储器的作用,并对数字数据加以存储。

 

  在 DAC 设计之初,该 DAC 寄存器为一个保存数字数据的外部存储器。如果没有 该 DAC 寄存器,那么由于模拟电路的实时馈入,DAC 的输出将随着外部输入总线的任何变化而立即发生变化。在用户决定用新代码更新 DAC 寄存器之前,该数据会一直驻留在 DAC 寄存器之中。DAC 寄存器主要起到了一个触发电路的作用。

 

  架构

  当今的高精度 DAC 主要采用了两种架构:R2R 架构和电阻串架构。这两种架构均为采用了一些数字控制逻辑的模拟电路。通过一款基本的 R2R 架构,就有可能生成一个电流输出或电压输出;而电阻串架构只能利用一个输出缓冲器生成一个电压输出,如图2 中的输出电路结构图所示。在电流输出的情况下,没有实施输出缓冲器。

   图2:基本功能模块

 

  电阻串架构

  顾名思义,电阻串架构就是一个以串联形式放置的一串电阻,以构建一个电阻串。从理论上来说,您可能会需要 256 个电阻才能构建一款 8 位 DAC(28 = 256)(请参见图3 ),包括产生一个电压输出的内部输出缓冲器,该电压输出同数字输入代码等效。

  图3 主要的电压输出电阻串架构

 

  提高精度也就是说要增加所需电阻的数量以构建一个电阻串 DAC。对于一款 16 位DAC 而言,可能需要65,536 个电阻才能生成所有可能的电压/数字阶跃(step)。但是,在现实真正的设计中,在一颗芯片上实施近 66,000 个电阻是不切实际的,对于当今的小封装,低功耗和低成本要求而言尤为如此。

 

  因此,设计人员推出了其他更小的电路设计方案,如可降低电阻串上所需电阻数量以及接触点的内插式放大器,从而实现了功耗更低且更节省空间的设计。该内插式放大器用来代替输出缓冲器。当今的一些电阻串架构拥有一个可用作放大器外部反馈环路的引脚。

 

  由于特定的电阻串架构,电阻串 DAC 具有低成本和保证单调性能的优点。值得一提的另外一个很重要的优点是可以实现小型封装的低功耗和小裸片面积,从而使他们非常适合便携式应用。其另外一个优点是输出缓冲器已经包括在该架构之中,从而无需使用更多的板上外部组件。