電阻串DAC架構(gòu)原理 - 電阻串理論

作者：Kevin Duke 德州儀器

我們今天將討論電阻串 DAC 架構(gòu)原理 - 電阻串理論！

電阻串 DAC 有時被稱為 Kelvin 分壓器或 Kelvin-Varley 分壓器（以其發(fā)明者命名），是用于 DAC 設(shè)計最直接的方法之一。最簡單的電阻串 DAC 只是一系列相同尺寸的電阻器和每個電阻器之間的接點。適當(dāng)?shù)慕狱c可根據(jù)應(yīng)用于 DAC 的數(shù)字代碼切換至輸出緩沖器。這種有限開關(guān)活動可產(chǎn)生極低的干擾能量。在理想情況下，每個電阻器都會針對等于 1 LSB 的參考電壓產(chǎn)生壓降。下圖是該架構(gòu)的簡單說明。

隨著電阻串 DAC 中分辨率的提高，設(shè)計所需的電阻器數(shù)量也在呈指數(shù)級增長。一個 n 位電阻串 DAC 需要 2n 個電阻器，因此高分辨率電阻串 DAC 通常需要大型 IC 封裝。這就意味著 16 位 DAC 需要 65，536 個電阻器，18 位需要 262，144 個，而 20 位則需要 1，048，576 個電阻器！級聯(lián)分段技術(shù)有時可用來減少所需的電阻器數(shù)量，但對于我們的用途而言，我們將不考慮分段技術(shù)，因為即使實施了分段，架構(gòu)趨勢在應(yīng)用層面也更傾向于實用。

每個電阻器值的精確度可直接決定線性度。如果電阻串中任何一個電阻器的值不合適，我們就會在代碼轉(zhuǎn)換時發(fā)現(xiàn)相對于該電阻器的不良微分非線性度 （DNL）。此外，所有后續(xù)代碼的積分非線性度 （INL） 也會因為不匹配而產(chǎn)生失調(diào)。由于典型電阻串 DAC 設(shè)計中的電阻器數(shù)量龐大，我們不可能對每個電阻器都進行調(diào)整，因此只能接受一定程度上的 DNL 誤差。然而，仍然必須維持良好的 INL 性能，因此可經(jīng)常對各組電阻器實施區(qū)域化調(diào)整，以避免調(diào)整每個電阻器，其在以下 INL 圖中呈“階梯”狀。

電阻串 DAC 的一個額外優(yōu)勢是：從參考輸入看，除了在瞬間代碼轉(zhuǎn)換階段外，輸入阻抗都可保持恒定。其它數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)（尤其是 SAR ADC）具有動態(tài)加載條件，需要一個參考緩沖器，而電阻串 DAC 就沒這個必要。然而一般來說，應(yīng)該對任何參考進行緩沖，尤其是在輸入／輸出隨高頻率變化時。還需要重點關(guān)注的是參考等效輸入阻抗通常都非常高，可使大多數(shù)電阻串 DAC 具有極高的電源效率。

電阻串 DAC 設(shè)計最終、最微妙的元件是位于串電阻器及接點之前的分壓器。該電阻器電阻等于串中其余電阻器的等效阻抗，能有效將參考輸入減半。這樣做的目的是降低輸出緩沖器的共模輸入要求，并在實現(xiàn)良好性能的同時幫助保持低成本。為了對此進行補償，輸出緩沖器一般采取 2 倍的非反相增益，盡管有時反饋電阻器通過數(shù)字控制實現(xiàn)不同增益。

電阻串 DAC 需要記住的幾個特性：

簡化設(shè)計，實現(xiàn)低成本；

低干擾能量；

固有的單調(diào)性；

低功耗。

電阻串 DAC 通常可在便攜式電池供電應(yīng)用中找到用武之地，充分發(fā)揮其低功耗優(yōu)勢。此外，電阻串 DAC 還適用于可充分利用其固有單調(diào)特性的閉環(huán)控制系統(tǒng)等應(yīng)用，以及各種低成本應(yīng)用，在該應(yīng)用中 DAC 只為系統(tǒng)提供一些校準(zhǔn)特性，而不會像我們在其它 DAC 應(yīng)用中可能看到的那樣，擔(dān)任“主角”。

如果您對電阻串 DAC 感興趣，請務(wù)必了解一些TI 電阻串 DAC 產(chǎn)品，例如 DAC8562、DAC8560、DAC8568、DAC7678、DAC8411、DAC8718、或 DAC8728 等。

閱讀原文，請參見： http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2013/05/01/dac-essentials-string-theory.aspx

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編輯：jq