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DAC数模转换器简介
DAC数模转换器简介
1 DAC的组成部分和原理 1
2 DAC的基本概念 2
3 DAC的常用结构 4
3.1 权电阻网络DAC 4
3.2 R-2R梯形电阻网络DAC 5
3.3 倒置R-2R梯形电阻网络DAC 6
4 DAC的各种拓扑结构 7
4.1 电容型 7
4.2 电阻型 8
4.3 电流型 8
5 DAC的编码形式 9
1 DAC的组成部分和原理
数模转换器基本上由4个部分组成,即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。
DAC的工作原理如图1所示。数字信号输入进入后先暂存在寄存器内,然后通过控制模拟开关来实现电阻电路的导通或断开,从而对数字信号进行译码,最终得到所需的模拟输出信号。
按电阻网络的不同,可将DAC分成权电阻网络D/A转换器 、T型电阻网络D/A转换器、倒T型电阻网络D/A转换器、权电流D/A转换器。
图1 DAC的工作原理
按电子开关的电路形式不同,又可分成CMOS电子开关转换器和双极型电于开关转换器。双极型电子开关又有三极管电流开关型和ECL电流开关型之分。显然双极型开关比CMOS开关速度高:ECL开关比一般的三极管开关速度高。
2 DAC的基本概念
下面简单的介绍一下DAC里面的一些术语。
(1)分辨率:D/A转换器的分辨率指的是D/A转换器模拟输出电平可能被分离的数目。通常用转换器输入的位数来表示。如12位的D/A转换器的分辨率为12。由于每一个D/A转换器都存在有限的分辨率,因此,对应相邻数字代码的输出模拟信号是分散的,且这些输出模拟信号是以一个固定的电压在上升,这个固定的电压值用LSB(LeastSignificant Bits)即最低有效位来区分。LSB的定义为: 1LSB=KVREF/2N,其中K是输出放大器的放大倍数。输入数字代码每增加一位,理想DAC的输出将增加1LSB。
(2)失调和增益误差:失调定义为当输入0码值时实际输出的模拟信号的值,增益误差定义为当扣除失调后理想的满量程输出的值和实际输出的值的差,如图1所示。
图1 DAC的失调和增益误差
精度:DAC中的精度分为绝对精度和相对精度。绝对精度定义为理想输出和实际输出之间的差,包括各种失调和。精度表示为满量程的比例,用有效位数来表示。例如8-bit 精度表示DAC的误差小于DAC输出满量程的1/28。注意精度这个概念和分辨率不相关。一个12-bit分辨率的DAC可能精度只有10-bit;而一个10-bit分辨率的DAC可能有12-bit的精度。精度大于分辨率意味着DAC的传输响应能够被比较精确地控制。
积分线性误差(INL—Integral Nonlinearity):当除去失调和增益误差后,积分线性误差就定义为实际输出传输特性曲线对理想传输特性曲线(一条直线)的偏离,如图2.2所示。它反映实际转换特性的整体线性度。
积分线性误差和分辨率既有一致性,又有差异。对于性能良好的转换器,两者应该是统一的,即具有N位分辨率的转换器,其线性误差不大于l/2N+1。如12位的D/A转换器,其线性误差不大于1/(4096×2)=0.012%。但是,在某些场合,线性误差有时给出不大于0.05%,或更大。明确这两者的一致和差异,就可以在不同的应用中
恰到好处地选用转换器。
微分线性误差(DNL—Differential Nonlinearity):在理想的DAC中,每次模拟输出变化最小为1LSB,微分线性误差定义为每次模拟输出变化最小时对1LSB的偏离(将增益误差和失调除外)。我们定义的DNL是对每个数字输入码值而言的,有时也有用最大的DNL来定义整个DAC的DNL。理想的DAC对于每个数字输入其微分线性误差均为0,而一个具有最大DNL为0.5LSB的DAC的每次最小变化输出在0.5LSB到1.5LSB之间。如图2所示。
图2 DAC的积分线性误差
抖动能量(Glitch Impulse Area)(Settling Time)SFDR):SFDR就是Spurious Free Dynamic Range,即无噪声和谐波的动态范围。噪声和谐波都称为伪信号(Spurious)
单调性:单调性被定义为在满量程范围内,D/A转换器数字输入单调变化时,模拟输出增量不改变符号的转换特性。也就是说,单调性保证了D/A转换器的输出是输入的单值函数。当D/A转换器有一个DNL误差小于等于-1LSB时,那么这个D/A转换器就必定是非单调的。非单调性的D/A转换器将会使逐次比较型A/D转换器的输出产生失码现象。
量化噪声:量化噪声是在用一个有限精度的转换器将模拟值进
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