什么是D/A轉換器?

1. D/A轉換器

D/A轉換器(Digital-to-AnalogConverter, DAC)是指將數字(Digital)量轉換為模擬(Analog)量的元器件。

【資料圖】

數字量

相同間隔不連續的量

時間上離散、量方面離散

模擬量(自然界的現象)

大小連續的量

時間上連續、量方面離散

2. A/D轉換器

A/D轉換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)與D/A轉換器相反，是指將模擬量轉換為數字量的元器件。

A/D轉換,D/A轉換的必要性

1. IC動向

電氣高精度處理、高速處理在CPU、DSP中以數字方式進行信號處理。

從自然界現象進行A/D轉換及數字信號處理，處理后為轉換為自然界值，搭載了D/A轉換器。

微細加工技術的進步→信號處理的數字化→需要A/D轉換器, D/A轉換器

2. 使用D/A轉換器的產品例

Digital AudioCD, MD, 1-bit Audio

Digital VideoDVD, Digital Still Camera

通信設備智能手機、FAX、ADSL設備

電腦聲源、顯卡

測量儀器可編程電源etc…

D/A轉換方式的種類

D/A轉換器有各種實現方法。

1. 使用電阻的產品

電阻元件是在IC上易處理的模擬設備。

比精度也比較好,無需修整就可以實現高達約10bit的精度。

由于選擇合適的電阻值，從低速到高速，可涵蓋的范圍很廣。

2. 使用電容器的產品

在一般IC中由于電容器比電阻的相對精度高，在中高精度的D/A轉換器中使用的比較多。

為了獲取更高的精度，必須要大電容，充放電時長時間加速比較困難。

另外，在低頻時為了補充泄漏電流，需要不斷更新，所以工作變得復雜。

3. 使用電流的產品

這是面向高速(數MHz～)用途的變換方式。根據數字輸入，通過開關電流源來切換輸出電流。

輸出電流是用電阻、運算放大器來進行電流-電壓的變換。

4. 過采樣方法

面向高精度(16bit～)用途的變換方式。

這是過濾了低分辨率和高采樣率的輸出，從而得到所期望的模擬信號。

用"0"和"1"2個值輸出和低通濾波器來構成的1bitΔ-Σ的方法是常見的。

D/A轉換器的基本形式1(解碼器系統)

把變換后的數字值傳送給電路稱作解碼器系統。

【電阻分壓方法DAC例】

在最簡單的DAC中，也有被稱作電阻串。

下圖是一個在3bit分辨率(Resolution)的DAC中，用電阻分壓，在開關中選擇一個地方的方法。

如果把電阻值變小，提高后續階段的緩沖放大器，雖然可能高速工作，但由于在高分辨率中的開關寄生電容的限制，而導致工作速度降低。

優點是出色的線性度，原則上，必須保證單調增加性。

缺點是根據分辨率，電路規模成倍的增大。

在3bit中需要8個電阻和開關，4bit中需要16個電阻和開關…在10bit中需要1024個電阻和開關。

【兩級 電阻分壓方法DAC例】

電阻分壓式DAC分成兩級配置。

下圖是6bit分辨率的DAC中，在第一級(左)Vref-GND之間選擇一個電阻的兩端(圖中選擇了從上數下來第三個電阻的兩端)。

在第二級(右)中，這個電壓再進一步 分壓，從而獲得了精細的分辨率。

優點是比起一級結構，由于控制了電路 規模，構成6bit的DAC所需要的電阻和開關數量控制在16個和18個(電阻分壓方法的情況下，無論哪個都需要64個)。

由于每增加一個級數就必須追加2個放大器，所以要權衡電阻和開關減少量進行選擇。

缺點是增加了惡化作為DAC特點的因素。

比如速度，兩個放大器會延遲。

輸出電壓的精度可能會產生兩級放大器的偏移。

D/A轉換器的基本形式2(二進制方式)

通過接收數字值工作的電路系統叫做二進制方式。

1. 二進制方式 <使用電阻的情況>

二進制方式是根據電路的構成帶有加權數據，以下圖R-2R梯形電路為代表性例子。

R-2R梯形電路為了無論從哪個節點都可以看到電阻值2R的并聯，每個節點的電流值都逐漸減半。

【R-2R梯形DAC例】

下圖是擁有4bit分辨率的R-2R梯形DAC。

優點是在小面積中可容易做出分辨率為10bit左右的DAC(所需電阻在Nbit的DAC中需要3N個，開關不用很大，也無需解碼器)，與其他方法相結合，如果是14bit左右的話可以實現。

缺點是為了電阻的高相對精度，在實現高精度時需要對開關(MOSFET的尺寸)和布局(R和2R的匹配性很重要，特別是MSB側=AO側的電阻必須準確制作)下功夫。

2. 二進制方式 <使用電容器的情況>

下圖是為了展示使用了電容器的DAC想法的概念圖。

這個DAC需要在開關切換時使用。

【使用了2NC電容器的DAC例】

下圖是使用了電容器、4bit分辨率的DAC例子。A0～A3無論哪個開關倒向Vref側，都能得到不同的Vout電壓。此時，放大器右邊的兩個開關同時ON，為了破壞電荷守恒的關系，在時鐘信號下導通時間需要不重疊。

優點是由于電容器的相對精度高，容易獲得高精度，另外為了電容器內不產生直流電流，低頻時只有放大器電流可低電流消耗。

缺點是為了電容器充電和放電，不適用于加速， 在低速時為了彌補漏電流，必須要刷新操作。刷新控制需要對維持刷新中的輸出電壓等下功夫。

【用了2NC電容器的DAC(有刷新控制)例】

使用了具有刷新控制的CAPA的4bit分辨率DAC。

3. 二進制方式 <使用電阻-電容器的情況>

【電阻-電容器混合型 DAC例】

擁有在電阻串DAC部分(左)3bit，電容器DAC部分3bit，共6bit分辨率的混合型DAC。上位bit的電阻間的電壓根據下位數據加權插值。

優點是可得到高分辨率。

D/A轉換器的基本形式3(溫度計碼方式)

數據切換的瞬間，完全不同的電壓(或電流)輸出，在輸出模擬信號中產生噪聲。這個噪音叫做干擾。這個干擾的解決方案之一是使用溫度計碼(Thermometer code)。

溫度計碼是指"看有多少個1來表示數字"的事物。(就像人們數數時，豎起手指數一樣)

能夠抗干擾，但二進制代碼轉換為溫度計碼時，解碼器根據分辨能力，呈指數的電路規模。

【溫度計碼 <電阻模式>DAC例】

使用了溫度計碼的3bit分辨率DAC例子。

當然不會產生干擾。

【溫度計碼 <電流模式>DAC例】

在若干單元格中拉動電流時決定了輸出 電壓Vout電流型DAC。

下圖是8x8的64灰度級=6bit分辨率的例子。

粉色部分增加時，從R拉動的電流增加， Vout下降。

根據溫度計碼的控制，在Vout中不會產 生干擾。

上圖是電流型DAC上下相反的東西。

由于是共源共柵電流源，不容易受輸出 電壓的影響，可高精度化。

審核編輯：湯梓紅