基础知识之D/A转换器

D/A转换器(Digital-to-Analog Converter, DAC)是指将数字(Digital)量转换为模拟(Analog)量的元器件。

相同间隔不连续的量

时间上离散、量方面离散

大小连续的量

时间上连续、量方面离散

A/D转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)与D/A转换器相反，是指将模拟量转换为数字量的元器件。

电气高精度处理、高速处理在CPU、DSP中以数字方式进行信号处理。从自然界现象进行A/D转换及数字信号处理，处理后为转换为自然界值，搭载了D/A转换器。

微细加工技术的进步→信号处理的数字化→需要A/D转换器, D/A转换器

虽然数字世界是由二进制来表示的， 与二进制兼容性好、容易被人理解的十六进制也经常被使用。 二进制只用0和1来表示。以0和1这一对数字作为符号，但L/H有时也会被使用。

十进制=Decimal　二进制=Binary　十六进制=Hexadecimal

为了区别是几进制，在数字后面加上d、b、h来区分。

【例】11d（十进制的11）、11b（十进制的3）、11h(=17d)

二进制是增加1位后所表示的数之间相差2倍。 红色部分是在A/D转换器和D/A转换器中经常使用的。

3bit=8阶段　4bit=16阶段　5bit=32阶段　6bit=64阶段　7bit=128阶段　8bit=256阶段　9bit=512阶段　11bit=2048阶段12bit=4096阶段　14bit=16384阶段　16bit=65536阶段

【什么是bit】

这是表示二进制位的二进制数(binary digit)的简称，把0或者1中任意数字表示的二进制的1位称作bit。

D/A转换器有各种实现方法。

电阻元件是在IC上易处理的模拟设备。 比精度也比较好,无需修整就可以实现高达约10bit的精度。 由于选择合适的电阻值，从低速到高速，可涵盖的范围很广。

在一般IC中由于电容器比电阻的相对精度高，在中高精度的D/A转换器中使用的比较多。 为了获取更高的精度，必须要大电容，充放电时长时间加速比较困难。 另外，在低频时为了补充泄漏电流，需要不断更新，所以工作变得复杂。

这是面向高速（数MHz～）用途的变换方式。根据数字输入，通过开关电流源来切换输出电流。 输出电流是用电阻、运算放大器来进行电流-电压的变换。

面向高精度(16bit～)用途的变换方式。 这是过滤了低分辨率和高采样率的输出，从而得到所期望的模拟信号。 用“0”和“1”2个值输出和低通滤波器来构成的1bitΔ-Σ的方法是常见的。

把变换后的数字值传送给电路称作解码器系统。

【电阻分压方法DAC例】

在最简单的DAC中，也有被称作电阻串。 下图是一个在3bit分辨率（Resolution）的DAC中，用电阻分压，在开关中选择一个地方的方法。 如果把电阻值变小，提高后续阶段的缓冲放大器，虽然可能高速工作，但由于在高分辨率中的开关寄生电容的限制，而导致工作速度降低。

优点是出色的线性度，原则上，必须保证单调增加性。 缺点是根据分辨率，电路规模成倍的增大。 在3bit中需要8个电阻和开关，4bit中需要16个电阻和开关…在10bit中需要1024个电阻和开关。

【两级 电阻分压方法DAC例】

电阻分压式DAC分成两级配置。 下图是6bit分辨率的DAC中，在第一级（左）Vref-GND之间选择一个电阻的两端（图中选择了从上数下来第三个电阻的两端）。 在第二级（右）中，这个电压再进一步 分压，从而获得了精细的分辨率。 优点是比起一级结构，由于控制了电路 规模，构成6bit的DAC所需要的电阻和开关数量控制在16个和18个（电阻分压方法的情况下，无论哪个都需要64个）。 由于每增加一个级数就必须追加2个放大器，所以要权衡电阻和开关减少量进行选择。 缺点是增加了恶化作为DAC特点的因素。 比如速度，两个放大器会延迟。 输出电压的精度可能会产生两级放大器的偏移。

通过接收数字值工作的电路系统叫做二进制方式。

二进制方式是根据电路的构成带有加权数据，以下图R-2R梯形电路为代表性例子。 R-2R梯形电路为了无论从哪个节点都可以看到电阻值2R的并联，每个节点的电流值都逐渐减半。

【R-2R梯形DAC例】

下图是拥有4bit分辨率的R-2R梯形DAC。 优点是在小面积中可容易做出分辨率为10bit左右的DAC（所需电阻在Nbit的DAC中需要3N个，开关不用很大，也无需解码器)，与其他方法相结合，如果是14bit左右的话可以实现。 缺点是为了电阻的高相对精度，在实现高精度时需要对开关（MOSFET的尺寸）和布局（R和2R的匹配性很重要，特别是MSB侧=AO侧的电阻必须准确制作）下功夫。

下图是为了展示使用了电容器的DAC想法的概念图。 这个DAC需要在开关切换时使用。

【使用了2NC电容器的DAC例】

下图是使用了电容器、4bit分辨率的DAC例子。A0～A3无论哪个开关倒向Vref侧，都能得到不同的Vout电压。此时，放大器右边的两个开关同时ON，为了破坏电荷守恒的关系，在时钟信号下导通时间需要不重叠。 优点是由于电容器的相对精度高，容易获得高精度，另外为了电容器内不产生直流电流，低频时只有放大器电流可低电流消耗。 缺点是为了电容器充电和放电，不适用于加速， 在低速时为了弥补漏电流，必须要刷新操作。刷新控制需要对维持刷新中的输出电压等下功夫。

【用了2NC电容器的DAC（有刷新控制）例】

使用了具有刷新控制的CAPA的4bit分辨率DAC。

【电阻－电容器混合型 DAC例】

拥有在电阻串DAC部分（左）3bit，电容器DAC部分3bit，共6bit分辨率的混合型DAC。 上位bit的电阻间的电压根据下位数据加权插值。 优点是可得到高分辨率。

数据切换的瞬间，完全不同的电压（或电流）输出，在输出模拟信号中产生噪声。这个噪音叫做干扰。这个干扰的解决方案之一是使用温度计码（Thermometer code）。

温度计码是指“看有多少个1来表示数字”的事物。（就像人们数数时，竖起手指数一样） 能够抗干扰，但二进制代码转换为温度计码时，解码器根据分辨能力，呈指数的电路规模。

【温度计码 ＜电阻模式＞DAC例】

使用了温度计码的3bit分辨率DAC例子。 当然不会产生干扰。

【温度计码 ＜电流模式＞DAC例】 在若干单元格中拉动电流时决定了输出 电压Vout电流型DAC。 下图是8×8的64灰度级=6bit分辨率的例子。 粉色部分增加时，从R拉动的电流增加， Vout下降。 根据温度计码的控制，在Vout中不会产 生干扰。

上图是电流型DAC上下相反的东西。 由于是共源共栅电流源，不容易受输出 电压的影响，可高精度化。