常用数字模拟DA转换器架构介绍 电容器, 最大限度, 转换器, 电阻器, 分辨率

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常用D/A架构
　　从概念上讲，最简单的D/A采用的是二进制加权架构，在该架构中，将n个二进制加权元件（电流源、电阻器或电容器）进行组合以提供一个模拟输出（n = D/A分辨率）。这种架构虽然最大限度地减少了数字编码电路，但MSB和LSB加权之间的差异却随着分辨率的增加而增大，从而使得元件的精确匹配变得很困难。采用该架构的高分辨率D/A不仅难以制造，而且还对失配误差很敏感。

开尔文（Kelvin）分压器
　　开尔文分压器架构由2n个等值电阻器组成，与二进制加权法相比，这种架构简化了匹配处理（见图1）。电阻器具有相等的阻值，因此必须对输入进行编码。输出是通过对2n个开关中的一个进行解码以便将其接入电阻器串的某一特定位置的方法来决定的。
　　该架构的优点是其所具有的完全单调、电压输出和低干扰（因为在每个代码变换过程中只有两个开关处于操作状态）特性。如果所有的电阻器都具有相同的阻值，它还将是线性的。一种相关的电流输出架构采用2n个并联于一个基准电压与虚拟地之间的电流源。
　　这种架构的主要缺点是它需要大量的电阻器和电流源。对于8位以上的分辨率，该架构在外形尺寸和匹配方面的劣势令人望而却步。不过，虽然不适用于较高的分辨率，但此类被称为“全解码型”的架构常被用作更加复杂的“分段式”D/A的积木式部件。

分段式D/A
　　分段式架构可被用于电流输出和电压输出D/A。可以对开尔文分压器电路中的解码电阻器两端的电压做进一步的细分以构成一个电压分段式D/A。这种电压的细分能够通过增设第二个开尔文分压器电路（在这种场合，该架构被称为开尔文-华莱分压器）或采用一种不同的架构来实现（见图2）。

　　只要每个单独的分段是单调的，则整个D/A的输出都将保持单调。由于单独的分段具有较低的分辨率，所以容易实现单调性。
　　分段式架构所带来的额外好处是所需电阻器数量的减少（对于给定的分辨率而言）以及硅片尺寸的压缩。因此，对高分辨率D/A进行分段是司空见惯的做法。其总体线性度仍然由电阻器匹配来决定。

R-2R型D/A
　　R-2R型（即梯形网络）架构简化了电阻器匹配要求，因为当转换系数为2:1时只需要两个电阻器值。R-2R型架构可被用作一个电压模式或电流模式D/A。

电流模式
　　大多数R-2R电流模式架构基于图3a所示的电路。一个外部基准被施加于Vref引脚。R-2R梯形网络将输入电流分割成二进制加权电流。
　　根据数字输入的不同将这些电流导引至节点1或节点2。电流输出节点通常与一个被配置为电流-电压转换器的运算放大器相连。出于匹配的原因，运算放大器反馈电阻器常常被集成在D/A芯片上。
　　开关始终处于地电位，而且，其额定电压并不影响基准额定电压。如果开关被设计成能够在两个方向上传输电流，则可将一个AC信号用作基准，从而形成一个复用D/A。Vref的输入阻抗是恒定的，且与R相等。
　　该架构的缺点是由运算放大器所引起的反相以及复杂的运算放大器稳定性问题，其原因是D/A输出阻抗会随数字输入的变化而变化。由于开关直接与输出相连，因此电流模式操作还会导致更加严重的干扰。

电压模式
　　电压模式R-2R型D/A在Vref与地之间对电阻器进行开关操作。基准电压被施加在节点1上。梯形网络上的每一级提供一个二进制记数值，输出在梯形网络的末端以累积电压的形式获得（见图3b）。输出电压具有恒定的阻抗，从而简化了放大器的稳定处理。
　　一个正基准电压将提供一个正输出，因而使单电源操作成为可能。最大限度地减轻了由开关电容所产生的干扰。缺点是基准输入阻抗的变化范围很宽，因此必须采用一个低阻抗基准。同样，开关的工作电压在地电位至Vref之间，从而限制了基准的容许范围。
　　对于高分辨率D/A，常见的做法是将一个R-2R梯形网络架构与一个全解码型D/A组合在一个分段式架构中。比如，16位分辨率的AD7564就是最先采用全解码型4位电阻器串与12位R-2R型架构相组合的D/A之一。65 536级输出电平被分成16组（每组4096级）。
　　4位处理部分的单调性是由设计来提供保证的，因此12位R-2R型D/A决定了总体单调性。与全16位D/A相比，匹配和修整都要容易得多。分段式架构减少了电阻器总数并简化了高分辨率D/A的修整。

Σ-Δ型架构
　　Σ-Δ型架构可被用于那些优先考虑线性度（而不是带宽）的D/A（比如音频D/A）。该架构由一个数字内插滤波器、Σ-Δ调制器和一个1位D/A所组成（见图4）。内插滤波器接受一个低速率的输入数据流，并通过插入零值来增加某一特定时间段内的总字数，从而提高了D/A的取样率。
　　滤波器通过内插处理向插入字分配数值，以便将输出频谱中的噪声集中在高频段。这具有将噪声从频带中排出的作用，从而达到降低带内噪声和提高分辨率的目的。调制器起一个信号低通滤波器的作用，它将信号转换成一个被馈入1位D/A中的高速位流。
　　根据位流中“1”和“0”的平均数量的不同，D/A输出将位于正基准电压与负基准电压之间变化。可由1位D/A（从理论上讲它具有完美的线性）获得非常高的线性度。转换器的一个主要部分采用数字电路，因而能够保持较小的芯片面积和较低的功耗。

制造工艺
　　架构并非影响D/A性能的唯一因素。D/A是由开关、电阻器、放大器和逻辑器件组合而成的。双极型工艺非常适合于制造低噪声稳定放大器和基准，但需要很大的电路板面积用以布设逻辑器件和开关。这往往会增加硅片尺寸和成本，但常常又是实现高性能D/A所必需采用的制造工艺。
　　CMOS工艺则是制造高密度低功耗逻辑器件和开关的理想选择，但不太适用于放大器。对于要求低功耗和小外形封装的D/A来说，CMOS工艺往往是优选方案。