DAC参数及其电路形式

1、第三节数模转换器(DAC)一.DAC的根本结构数模转换器的根本功能是将输入的数字量 D转换成与之唯一对应的模拟量A,用数学式可表示为：A=P*D式中P为变换系数.限制接口电路数字信号图DAC的根本结构图中,输入数字量通过接口电路后限制模拟开关的各位的通断,从而改变转换网络的连接关系,使网络输出的电流大小和输入数字信 号的大小成正比,其比例系数和基准电压有关.通常使输出电流的大 小正比于输入数字量和基准电压,此时构成的是线性数模转换器.在 许多应用场合,希望得到的是电压模拟信号,此时只要在电流输出端 加一个电流/电压变换器,即可得到对应的输出电压.电流/电压变换 器通常采用运算放大器电路.关键器

2、件：图中只有模拟开关、转换网络和基准电压源是必不可少的1 .基准电压源对基准电压源的要求主要是稳定性好.转换器的输出和基准电压大小有直接的比例关系,因此基准电压的稳定性对转换器的精度有决定件影响,这在使用无内部电压基准源的转换器时坚持别注意,只有按该器件的要求配置基准电压,该器件提供的性能才有实际意义. 一般电压基准器件的温度漂移可做到 10ppm/C以下.双极型器件结构 的基准电压源主要有 齐纳二极管型和带隙型两种,MOS型器件的基准电源也有许多种形式,但还达不到双极型器件构成的基准电压源性表ADI公司生产的局部基准电压源用号出屯罹(V)初将胃度F限好一度温度稳定曝下限口产VP阻度篦用射暗格

3、式设 mAD&U&:坪lET.ELJ IDOC. fZ戢靖A西能2.50. J-OJ如心C, J2.3晡低w诧.氐本钱且D3型2. i.；0.4 7IJ-A5C, M7精密.=端REFT32.5(LB 113 25,M2, 3. Sl ?精辑.黯史勒僵A型潮5& QSfl. i5?5G M3, K幅唠黝理产酒管REF 02Sk a-G,5& S一履a ：T M2f 3p 6* 7精密,帝琪基准REPG55儡3& &8.15M7保证长眇样定件AD£Tin100. RIJ52日高精密AD2700pk 吟 & r-. 05工IDG M

4、1甚嘉精整即10Q. 051 1W一却CM3, 6精客1命呷齐箔甘AD5B1100巧心品C M7三鼎,带联基雇EEF- 0110仇 a-'.i &4s一西C, Ir MZI 31 61 7情再,带配基强REF-1010Qi K- 45 25LM2. 3. 3 7ADZ?12±10OlUI5CI勒肯胡班AD68K±IQ.翼一9,Q51,3-5L M3府叫府AM?±10fllO®5-QL(153 nC, MI国牖轮-IQ-0. 02n0. 053laC, M1甚商精密dUIKr $G, I. M21 3. W想高桶箱.可引烟该府/MA伏的可心

5、as-9*5-2.1 M九7格容,福敦基雁.可引唧设兽埼H；U亲中阻位范周用字母表示,吞字母含义如下：C：- TMr>5-l：5 C,时黄再五同装了表5.省妆字的首元是：1密耕两盥或金剧位列直插好果口 密封里料段坏M树麝也列食油出1P；N装,3-网踪浸端r 4陶烧丸引冬芯片融体 (CLC.,6小弓I线黑底电路关装fSVMGj吊 裙射全国砰竟；上一7092时笠：AD584是根据带隙原理制成的电压基准,有4种可编程的输出电 压：,和.在芯片制作阶段经过激光调整,使输出电压的 绝对精度可 达±5V,在-55+ 125C的整个温度范围内.其 温度系数典型值为 10ppm/C,在070c

6、范围内为5ppm/Co它的带载水平也较强, 具有10mA的电流输出水平.并且静态电流很小, 最大只有1mA.另 外该器件本钱也比拟低.用齐纳基准构成的典型电压源是AD2710系列.通过混合工艺, 将精密的低温度系数齐纳二极管、作为缓冲和放大用的低漂移运算放 大器和精确匹配的电阻组合在一个封装内而构成高精度基准电压源.AD2710的主要特点是温度漂移极低,可到达土 1ppm/ C ;只有 很好的长期稳定性,可到达 25Ppm/1000小时；输出电压的预调精 度达士.2 .模拟开关数模转换器中的模拟开关的类型有 电压型、电流型和它们组合而 成的组合型.电压型开关在关断时,其开关两端电压直接取决于被

7、换 接的电压,因此假设跨接于开关两端的寄生电容 不可忽略时,那么开关工 作时要对寄生电容充放电,必然影响开关速度.开关闭合时,流过开 关的电流取决于开关回路的负载电阻.电流型开关的特点是不管开关负载电阻的大小,流过开关的电流 和被切换的电流相等,实际上在电流型开关的转换器设计中, 被切换 的电流通常是 恒流源,它与电流开关无关,即开关对切换电流的影响 很小,开关工作速度可以高.而电压型开关导通后两端剩余压降直接影响被换接的电压有效值而产生误差.因此在集成数模转换器中,大量采用电流型模拟开关,特别在 高速转换器中.模拟开关的主要特性参数有 导通电阻、漏电流、寄生电容以及开 启时间和关闭时间.3

8、.转换网络数模转换器中,模拟开关由输入信号限制通断,从而改变转换网 络的连接方式,转换网络按此连接方式把基准电压转换成对应的电 流.转换网络是数模转换器的核心,它的件能好坏直接影响转换器的 精度.转换网络的根本类型是 加权网络和梯形网络.前者如权电阻网 络、权电容网络,后者如R-2R梯形电阻网络、倒梯形电阻网络 等.为了改善转换网络的性能,人们在上述两种根本网络的根底上, 设计了各种改良型转换网络,例如权电阻和梯型电阻网络并用结构、 分段梯形电阻网络、电流衰减型网络、电压分段式结构网络等.1 .DAC的主要技术指标(1)分辩率(Resolution)指最小模拟输出量,(对应数字量仅最低位 为1

9、')与最大量(对应数字量所有有效位为1')之比.(2)建立时间(Setting Time)是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间,也可以认为是转换时间.DAC中常用建立时间来描述其速度,而不是 AD中常用的转换速率.一般地,电流输出DAC建立时间较短,电压输出DAC那么较长.其它指标还有线性度(Linearity),转换精度,温度系数/漂移.TERMINOLOGYRELATIVE ACCURACY: EkliM of end point DDfllmjesnry 悍 u mwm of The nuximum drvinion from iLuk pewits thi.1 期

10、h the endpotnu of the DAC tjuifer FunctJOD. 11 桥 mnsAirtd aferr idjusnng for idol rerv and PliJI nJc u>d n cxpresKd in % of hiU «c<lc T(mge « f&ub) muluplcs <>f 1UBftfSOLtmONt Viuf of i he LER Fur su叫g n UAipuhti concftcr with n bill hu a resoJutiun of (2 )Vntp)- A bipolir

11、oonerttrofn bits hc reMuiimi fo ? * 11 (Vrff】+ Rcsulution in a> vry jnplKf li»ari:y.SETTLING TIME： Tum required for the ouqyut tuadton nf Z DAC ia seerh 阳 wiihiii 1/2LSB fur t liven thfiul ioput wunulus, i c., 0 f£i Full Sslc.GMN ERROR： Gain error a i raws me oi the output error bcrwtm

12、jii kteil DAC mid ihc Ktual device uoipui. It is mcuurcd *:tb ill Ib lb the DAC ifter offset ha* been adjutiM ou* und 也 expmised in Lcu( Sigmfiuint Ri此 Gun error it tdiustblc (d mo with in annul pdurtkomeierFKEDTHROLKrH tRftOR: Emt caused by cipacirivr )山必力昌 fruni Vm;F u ouipul wiJi >U iwiictm OF

13、F.OUTPUT CAPACITANCE： Qipacitv from lour； 11nd lvu terminal m ground.OUTPUT 1 EAKAGF CURRENT; Ciimni *hkh 旬)|d$ vn lour itrcunil with *U 由或口 inputs LOW or on &口 上 termujaJ wtitD iJl inpuTf in HIGH .三.DAC的分类2 .按主要性能指标分类数模转换器常常按它的主要性能指标进行分类,如转换速度、转换精度、分辨率和功耗等.(1)按转换速度分类：数模转换器可分为 低速(建立时间大于100us)、中速

14、(建立时间在1-100us)、高速(建上时间在50ns-1us沐口超 高速(建立时间小于50ns)四种,这里的建立时间是指输入数字后到输 出稳定到满量程的土 1%所需时间.(2)按转换精度分类：可分为一般精度、高精度和超高精度型.(3)按分辨率分类：数模转换器可分为为6位,8位,10位,12 位,14位,16位,18位,20位,22位等各种类型.(4)按功耗分类：数模转换器可分为一般型、低功耗型和微功耗型.3 .按转换原理转换网络的类型分类权电阻网络DACn 位二进制数：dn-idn-2,did0.n 个电阻：R, 2R,2n-1R.一个 反相加法器.转换网络总的输出电流是各支路电流的叠加,即

15、:L-1十十 +人止隹?2“一"+/+ 2号口优点：权电阻DAC结构比拟简单,所用元器件少.缺点：是网络中各电阻阻值相差大,最大电阻和最小电阻值之比达 2n-1.例如一个12位的上述结构的转换器,如电阻网络中最小电阻取 10kQ,那么对应最低位的权电阻就达Q,这样大比值的电阻用集成工 艺制造是很困难的,无法用扩散电阻工艺实现,用薄膜电阻工艺也无 法保证每个电阻的精度.另外,这样大的电阻必然会影响转换速度.这是由于信号电流在开关过程中要对寄生电容充放电, 而最低位的电流又极小,使对寄生电容的充放电时间很长.改良：一般来说,为保证阻值精度,用集成工艺制造的电阻比值最好 不超过20倍.因此

16、权电阻网络的结构只适用于位数少的数模转换器. 假设输入数字量的位数较多,可采用多级结构.四位成一组,每组电阻 为R 2R, 4R, 8R组间串入电阻8R,以使低位组电流衰减.一个 8 位输入的双级权电阻网络数模转换器如下列图所示.R72(LSB)d.由 & 人由& d- (MSB)双级权电阻网络DAC(2) .梯形电阻网络数模转换器优点：只有R和2R两种电阻,克服了权电阻网络电阻值种类多的缺点O 缺点：但本身也存在一些缺乏.例如输入数字信号发生变化时,引起模拟开关闭合位置发生变化,从而使 2R中的电流发生变化,并在网 络中传输.梯形电阻网络相当于传输线,从模拟开关动作到梯形电阻

17、 网络建立起稳定输出需要一定的传输时间, 转换器的位数越多,梯形 网络的级数就越多,所需传输时间就越长,因此在位数较多时将直接 影响数模转换器的转换速度.另外当输入数字信号有n位同时发生变 化时,由于各级信号传输到输出端的时间不同, 因而在输出端可能产 生瞬时尖峰脉冲,这对很多应用领域都是不利的,克服上述缺点的一 种方法是采用倒梯形电阻网络的数模转换器.3R(LSB)d di dz 山(MSB)四位梯形电阻DAC(3) .倒梯形电阻网络数模转换器四位倒梯形数模转换器原理图图中,对于输入信号中为0的位,模拟开关被限制合向地,对于 输入信号中为1的位,对应模拟开关合向“虚地点,即运算放大器 的反相

18、输入端.出此模拟开关不管合向哪一边,其连接的电位都是“地工使网络中每个支路电阻上的电流始终不变,因而从基准电压Vr流入网络的总电流I也是不变的,由于网络的等效电阻是 R,故总 电论I的大小为：I=Vr/R优点：输入信号的变化,不改变倒梯形电阻网络各支路电流的大小,只是切换电流的流向,输入信号中为“1的位,对应支路电流都直接流向运算放大器反相端而形成输出电压.输入信号中为“0的位,对应支路电流流向地.各支路电流到达网络输出点几乎是同时的, 不 但使转换器速度提升,而且减小了可能出现的尖峰脉冲. 这些优点使 倒梯形网络成为DAC转换器中广泛采用的电路形式.(4)电压分段式DAC转换器虽然倒梯形电阻

19、网络数模转换器有很多优点, 但要制成严格单调 的尚分辨率转换器、需要网络中电阻的精密匹配,用一般的工艺是很 难实现的.采用电压分段式结构可保证数模转换器的单调性.译码电潞d 2 d | d r,电阻分压式DAC缺点：对于n位二进制输入的这种分压式转换器,其分压电阻应有2n个,并需要2n个模拟开关.因此随着位数增加,所需元器件数量 急剧增加.优点：转换器只要一种电阻值,容易保让制造精度,即使阻值有较大 的误差,也不会出现非单调性.另外,转换速度快也是它的一个特点针对上述元器件数量多的缺点. 提出了电比分段式结构,即把分压器设成两级.下列图中,左边四个电阻构成第一级分压器,右边四个电阻构成第二级分

20、压器.S0, S1是和第一级分压器相连的模拟开关,出输入信号D(d3d2d1d0)的高二位d3d2的译码输出限制,完成段选择.S2是和第二级分压器相连的模拟开关,由低位信号d1d0的译码输出限制,完成抽头选择.段译码抽头译码11M& dadi dfJ(MSB)(LSB)电压分段式DAC转换器分析：先看段选择.当d3d2分别为00, 01, 10, 11时,通过译码器, 限制模拟开关 S0S1的位置分别对应为 P0P1, P2P1, P2P3和P4P3 即身S0S1在d3d2的限制下交替切换到分压点上,并总是连接在相邻 的两个分压点上,它们间的电压(段电压)始终为VR4.其下分压点分 别

21、是P0, P1, P2和P3.可见下分压点的对地电压与 d3d2组成的二 进制数成正比.再看第二级分压器局部,它的基准电压是由第一级分压器上的段 电压通过射极跟随器产生的,大小为VR4.其分压点电压经模拟开关 S2输出.S2切换到哪一个分压点由d1d0限制,即随着d1d0的增大, S2切换点和第二级分压器基准电压低电位端即一级分压器的下端点 间的电压抽头电压也单调增加,且该电压和 d1d0组成的上进制值 成正比.优点：由于段选择和抽头选惮都是单调的单一电阻,从而保证了 输出电压的单调性.可以看出,采用分段结构使分压电阻大大减少, 对n位输入的转换器,分压电阻数量从 2n减少到2X2n.同时模拟

22、 开关的数量也大大减少.这种结构一般用于对单调件要求严格的高分 辨率数模转换器.权电容型DAC在逐次逼近型 ADC中加以详细介绍.如：MAX195 SAR ADC中的DAC就是采用电荷重分布式DAGThe MAX1 95 includes a capacitive digital-to-analog converter (DAC) that provides an inherent track/hold input, The interface and control logic are designed for easy connection to most microp1roeessos

23、(pPs), limiting the need for external components. In addition to the SAR and DACr the MAX195 includes a serial interface, a sampling comparator used by the SAR ten cHihation DACs, and control logic for calibration and conversion.The DAC consists of an array of 16 capjcitos with binary weighted value

24、s plus one ,'dummy LSB" capacitor (Figure 1), During input acquisition in unipolar moder the arrays common terminal is connected to AGND and all free terminals are connected to the input signal (AIN), After acquisition; the common terminal is disconnected from AGND and the free terminala or

25、e3.其它分类DAC转换器的内部电路构成无太大差异,一般还可按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类.大多数DAC转换器由电阻阵列和n个电流开关(或电压开关)构成.按数字输入值切换开关, 产生比例于输入的电流(或电压).止匕外,也有为了改善精度而把恒 流源放入器件内部的.一般说来,由于电流开关的切换误差小,大多 采用电流开关型电路,电流开关型电路如果直接输出生成的电流,那么为电流输出型DA转换器,如果经电流一电压转换后输出,那么为电压 输出型DA转换器.止匕外,电压开关型电路为直接输出电压型DA转换器.(1)电压输出型 DAC (如TLC5620电压输出型DAC转换器虽有直接从电阻阵列输

26、出电压的, 但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出.直接输出电压的器件仅用于 高阻抗负载,由于无输出放大器局部的延迟,故常做为高速DAC转 换器使用.(2)电流输出型 DAC (如THS5661A电流输出型DAC转换器很少直接利用电流输出,大多外接电流 一电压转换电路得到电压输出,后者有两种方法：一是只在输出引 脚上接负载电阻而进行电流一电压转换,二是外接运算放大器.用 负载电阻进行电流一电压转换的方法,虽可在电流输出引脚上出现 电压,但必须在规定的输出电压范围内使用, 而且由于输出阻抗高, 所以一般外接运算放大器使用.止匕外,大局部 CMOS DAC专换器当 输出电压不为零时不能正确动作,所以

27、必须外接运算放大器.当外 接运算放大器进行电流电压转换时,那么电路构成根本上与内置放大 器的电压输出型相同,这时由于在DAC转换器的电流建立时间上加 入了运算放大器的延迟,使响应变慢.此外,这种电路中运算放大 器因输出引脚的内部电容而容易起振,有时必须作相位补偿.(3)乘算型 DAC (如 AD7533)DAC转换器中有使用恒定基准电压的,也有在基准电压输入上 加交流信号的,后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结 果而输出,因而称为乘算型 DAC转换器.乘算型DAC转换器一般 不仅可以进行乘法运算,而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用4一位DAC转换

28、器脉冲宽度调制PWM一位DAC转换器与前述转换方式全然不同,它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出,然后用数字滤波器作平均化而得到般的电压输出又称位流方式,用于音频等场合.四.DAC芯片实例TCL5620四通道8位 电压输出DAC /TI公司 Four 8-Bit Voltage Output DACa 5*V Singl«>Supply Operation Serial Inlerface High-Impedance Reference Inputs Programmable 1 or 2 Times Output Range SimuItaneous-Update

29、Facility Internal Pow&rOn Reset Low Power Consumption Half-Buffered Outputapplications Programmalala Voltage Sources Digitalty-Controlled Amplifiers .Attend store Mobile Communications Automat记 Test Equipment Process Moritoring and Control Signal SynthesisN GR 0 PAC KAGE(TOP VlEWfGND R=F4. R匚B R

30、EFC RtrD ,；/ IACLK5fttl71413121110 g ?.J vD0 l DAC DACA DACBDACC j DACD LOADdescription一M T| 二SfiTOC： nrd T| Cf62O|rjuFidajplF 三hi t 驴 cinpLif nigi旧LgHnalcg nnwrrr*; <PArf Mfribi rfemnrr inputs "irjh mperl己np The DAC 工 prcdinn m.lpirt v _iFhq广 thnt mnges BMy马arthr one or two times 1 h e refe

31、rence '.-ollaties and iND,4 k! the 口 4cs a re monoionic he de vi cw 片 s innpie rouse, runninq fham a sinqle supply of 5 V. A powpor resei fundiori is incorporated to 印百une repeatatle tort-up con Mions.Digital oorrtroi 011be TLC5620C and TLC5620lar9 ovor a simple 3-wiro 与例诩 bus that is CMOS 匚.m国t

32、ibl白hM udily hitHifdmd lu jII popular(niuti|j|?LUbbu( or id HiiutiLuiilJullm d 的 ic 白 u. Ilie 11 -bit Ljumiikiiid wufd cc*nprisesS bits uf 曲帆 2 DAC select bits uid ti mriyc bi' ihu kilter allowing seledfon (jetween the times 1 or tinrws 2 output rongo Tho DAC (cgisrars 白re double buffered, ai to

33、wing d compile set erf new vdIu&g io be wntien io the device, then all DAC outpLrts are updotd simiiikflneciusl, tn rough oontrcH at the LDAC t&mmnfil. The digital nputs feature Schrirtt tnggers tor high noise immuiityfunctional block diagramREFAARFFBl>rt>TREFDACLK ATA LOADSerialInicrf

34、accloac册对芯片实例：12位,100MSPS,D/A专换器 电流输出/TI公司 Member of the Pin-Compatible CommsDAC1L1 Product FamilySOIC (CW| OR TSSOP (PWl PACKAGEiiop vrwj 100 MBPS U pdate Rate 12-Bit Resolution Spurjous Fr&e Dynamic Range (SFDR) to Nyquist at 20 MHz Output 63 dBc 1 ns Setupi'Hold Time Differential Scalable

35、 Current Outputs: 2 mA to 20 mA On-Chip 1.2 V Reference 3 Vand 5 V CMOS-Compatible Digital Interface Straight Binary or Twos Complement Input Power Dissipation: 175 mW at 5 V, Sleep Mode: 25 mW at 5 V Package: 2B-Pin SCIC and TSSOP107_5 43210cc D 1Didddddpddddminc1J2*2B2732Sd2524237?g2g?10191112171315M15KC -Nn mien H= CL<ZTZI DVqq "ti dgiqjTn MODEII AVJO HI CCMP2 -ri nunZO IOUT2-T-I AGN 口 ZTJ CCF/1F 1Bl AS J HI EXTIO Tn extlo H SLEEPEXT10II 6BIASJ 1lbias iRtiiasDu