PDF《MT-015 指南》

图1:电压模式二进制加权电阻DAC 作者:Walt Kester DAC基本架构II:二进制DAC 指南 MT-015 R/8 R/4 R/2 R V V REF OUT MSB LSB Adapted from: B.

D. Smith, "Coding by Feedback Methods," Proceedings of the I. R. E., Vol. 41, August 1953, pp. 1053-1058 Rev.A, 10/08, WK Page

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10 简介 虽然串DAC和温度计DAC是迄今最为简单的DAC架构,但需要高分辨率时,它们绝不是 最有效的.二进制加权DAC每位使用一个开关,首创于1920年代(参见参考文献

1、2和3). 自此以后一直颇受欢迎,成为现代精密和高速DAC的支柱架构. 二进制加权DAC 图1所示的电压模式二进制加权电阻DAC是教材中常用的最简单DAC示例.然而,该DAC 本身不具单调性,而且实际上难以成功制造并实现高分辨率.此外,电压模式二进制DAC 的输出阻抗会随着输入代码的不同而改变. 电流模式二进制DAC如图2A(基于电阻)和图2B(基于电流源)所示.这种N位DAC由比例为 1:2:4:8:....:2NC1 的N个加权电流源组成,电流源则可以仅由电阻和基准电压源构成.LSB开关 2NC1 电流,MSB开关1电流,如此等等.原理很简单,但要想制造一个尺寸合理的IC,实际 困难很大;

即便一个8位DAC,电流或电阻比也会达到128:1,尤其是其温度系数必须匹 配. MT-015 DIFFICULT TO FABRICATE IN IC FORM DUE TO LARGE RESISTOR OR CURRENT RATIOS FOR HIGH RESOLUTIONS VREF MSB LSB R 2R 4R 8R VREF MSB LSB R 2R 4R 8R CURRENT OUTPUTS INTO VIRTUAL GROUNDS (A) RESISTOR (B) CURRENT SOURCE T I/2 I/4 I/8 LSB MSB I Page

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10 图2:电流模式二进制加权DAC 如果MSB电流值稍低,它将小于所有其它位电流的和,DAC将不具单调性(多数类型DAC 的微分非线性在主要位跃迁时最差).实际上,这种架构从未单独用于DAC集成电路中, 但是,其3到4位版本已被用作更复杂结构的组成部分. 然而,还有一种最近才得到广泛使用的二进制加权DAC结构,它使用图3所示的二进制加 权电容.使用电容的DAC有一个问题:泄漏会使它在设定后的几毫秒内丧失精度.这使得 电容DAC可能不适合通用DAC应用,但在逐次逼近型ADC中,这并不是问题,因为转换 会在几微秒甚至更短的时间内完成,泄漏根本来不及产生任何明显的影响. 逐次逼近型ADC结构简单、功耗低,而且具有相当快的转换时间,它可能是使用最广泛的 通用ADC架构,但在1990年代中期,分级ADC开始取代逐次逼近型ADC而受到人们的青 睐,因为与分级ADC相比,逐次逼近型ADC中的R-2R薄膜电阻DAC使得芯片尺寸更大、 成本更高,尽管分级ADC的功耗更高.亚微米CMOS工艺的发展使得尺寸极小(因而价格 便宜)、精度极高的开关电容DAC成为可能,由此产生了新一代小型、价廉、低功耗、高 精度的逐次逼近型ADC,这种架构因而重新获得了人们的青睐(例如ADI公司的PulSAR? 系列). 图3:逐次逼近型ADC中的电容二进制加权DAC 图4:4位R-2R梯形电阻网络 MT-015 _ + _ + C/

4 C/

2 C C /

4 AIN VREF SIN SC S1 S2 S3 S4 BIT1 (MSB) BIT2 BIT3 (LSB) SWITCHES SHOWN IN TRACK (SAMPLE) MODE A A CTOTAL = 2C 2R 2R 2R 2R 2R R R R Page

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10 电容电荷再分配DAC还具有另一项优势,即DAC本身可以充当一个采样保持电路(SHA), 因此既不需要外部SHA,也不需要为单独集成的SHA分配芯片面积. R-2R DAC 最常见的DAC构建模块结构之一是R-2R梯形电阻网络,如图4所示.它仅使用两种不同值 的电阻,阻值之比为2:1.N位DAC需要2N个电阻,调整相当简单,而且要调整的电阻数 量相对较少. 有两种方法可以将R-2R梯形电阻网络用作DAC,分别称为"电压模式"和"电流模式",有时 也分别称为"正常"模式和"反相"模式,但由于业界并未就哪一种模式是梯形电阻网络的"正常"模式达成一致,因此这一种命名方式可能令人误解.每种模式都有其优点和缺点. 图5:电压模式R-2R梯形电阻网络DAC MT-015 2R R R R 2R 2R 2R 2R V V REF OUT MSB LSB Adapted from: B. D. Smith, "Coding by Feedback Methods," Proceedings of the I. R. E., Vol. 41, August 1953, pp. 1053-1058 Page

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10 图5所示为电压模式R-2R梯形电阻DAC,电阻梯的"横档"或臂在VREF 与地之间切换,输出 从电阻梯的末端获得.输出可以是一个电压,但由于输出阻抗与代码无关,因此输出也可 以是一个流入虚拟地的电流.如前所述,该架构由B. D. Smith于1953年提出(参考文献3). 电压输出是这种模式的一个优势,恒定的输出阻抗是另一个优势,后者使得连接到输出节 点的任何放大器都更容易稳定.此外,开关使电阻梯的臂在低阻抗VREF 连接与同样是低阻 抗的地之间切换,因此电容毛刺电流一般不会流到负载.但另一方面,开关必须在宽电压 范围(VREF 至地)内工作,这给设计和制造都带来难题,而且基准电压输入阻抗随着代码而 大幅改变,因此基准电压输入必须通过一个非常低的阻抗驱动.此外,DAC的增益无法通 过与VREF 引脚串联的电阻进行调整. 图6所示为电流模式R-2R梯形电阻DAC,DAC的增益可以通过VREF 引脚上的串联电阻进行 调整,这是因为在电流模式中,电阻梯的末端(具有与代码无关的阻抗)用作VREF 引脚,臂 的末端在地(有时是处于地电位的"反相输出")与输出线(必须保持地电位)之间切换.电流 模式梯形电阻网络的输出一般连接到一个配置为电流电压(I/V)转换器的运算放大器,但由 于DAC输出阻抗随着数字代码而变化,该运算放大器的稳定机制变得较为复杂.如前所 述,有时将这种架构称为"反相R-2R"DAC. 图6:电流模式R-2R梯形电阻网络DAC常用于乘法DAC MT-015 2R R R R 2R 2R 2R 2R VREF VREF MSB LSB CURRENT OUTPUT INTO VIRTUAL GROUND