詳解ADC和DAC的基本架構

提問：

如何連接模擬世界與物理世界?

工程師們會毫不猶豫地給出答案——使用ADC與DAC。模數(shù)轉換器(ADC)和數(shù)模轉換器(DAC)是將模擬信號轉換成數(shù)字信號或?qū)?shù)字信號轉換成模擬信號的器件。在此方面，ADI公司擁有齊全的數(shù)據(jù)轉換器產(chǎn)品系列，DAC涵蓋8位至24位，面向工業(yè)自動化、可編程邏輯控制器、光收發(fā)器、數(shù)據(jù)采集等各種應用，能夠提供精確可靠、無與倫比的轉換性能和價值;ADC可在各類應用中實現(xiàn)精確可靠的轉換性能，包括通信、能源、醫(yī)療、儀器儀表和測量、電機和功率控制、工業(yè)自動化等。

為更好地幫助工程師朋友們完成產(chǎn)品選型到電路設計的項目各階段，特別推薦ADI新上線的電子書《ADC和DAC的基本架構》，該書旨在梳理 ADC 和 DAC 使用中相關的基礎要點以及構架示例，歡迎大家掃碼免費領取!

DAC架構探討精彩摘抄

Part 01

與其將DAC視為具有數(shù)字輸入和模擬輸出的黑匣子，不如了解當今所用的DAC基本架構，這樣將更有利于應用，而且能簡化選型過程，否則考慮到市場上數(shù)不勝數(shù)的DAC，產(chǎn)品選型可能非常棘手。在《ADC和DAC的基本架構》的本節(jié)內(nèi)容中，將主要討論DAC不同基礎架構——“串”DAC、“溫度計”DAC、二進制DAC、分段DAC……

如圖一所示，使用由2N個等值串聯(lián)電阻和2N個開關(通常為CMOS)，就可以組成最簡單的DAC結構——開爾文分壓器或串DAC。這種架構非常簡單，具有一個電壓輸出(但輸出阻抗與代碼相關)，本身具單調(diào)性，即使電阻意外短路，輸出n也不會大于輸出n+1。將其稍作改動，便可得到一個“數(shù)字電位計”(圖二)

圖1.電壓輸出溫度計DAC

圖2.“數(shù)字電位計”

隨著高分辨率逐漸成為需求，二進制加權DAC與分段DAC構成了現(xiàn)代精密和高速DAC的支柱架構。1970年，ADI公司推出了AD550“μDAC”單芯片四通道(4位)電流開關構建模塊IC，如圖9所示。注意，二進制加權電流是利用一個外部薄膜網(wǎng)絡產(chǎn)生，而片內(nèi)激光調(diào)整薄膜電阻技術直到數(shù)年后才開發(fā)出來。晶體管面積成比例(82:1)，從而確保所有晶體管的電流密度相等，以實現(xiàn)最佳VBE匹配。這些早期IC DAC所建立的基本電路原理至今仍然廣泛適用。

圖3.AD550“μDAC”四通道開關

當需要設計一個具有特定性能的DAC時，很可能沒有任何一種架構是理想的。這種情況下，可以將兩個或更多DAC組合成一個更高分辨率的DAC，以獲得所需的性能。這些DAC可以是同一類型，也可以是不同類型，各DAC的分辨率無需相同。原則上，一個DAC處理MSB，另一個DAC處理LSB，其輸出以某種方式相加。這一過程稱為“分段”，這些更復雜的結構稱為“分段DAC”。

圖4.基于兩個3位溫度計DAC的6位電流輸出分段DAC

DAC接口原理精彩摘抄

Part 02

越來越多的人簡單地將DAC視作具有數(shù)字輸入和一個模擬輸出的器件。但模擬輸出取決于是否存在稱為基準電壓源的模擬輸入，且基準電壓源的精度幾乎始終是DAC絕對精度的限制因素。在匹配基準電壓源和數(shù)據(jù)轉換器時，基準電壓源向?qū)?Voltage Reference Wizard)等設計工具非常有用。

各種各樣的ADC和DAC以各種各樣的方式支持使用外部基準電壓源來替代內(nèi)部基準電壓源。下圖提供了一些常見配置——需要外部基準電壓源的轉換器;內(nèi)置基準電壓源的轉換器;采用內(nèi)部或外部基準電壓源但需要額外封裝引腳的轉換器;外部基準電壓源;使用單個封裝引腳以外部基準電壓源來覆蓋驅(qū)動內(nèi)部基準電壓源;接外部基準電壓源來覆蓋內(nèi)部基準電壓源……

圖5.常見的ADC/DAC基準電壓源選項

DAC的模擬輸出可能是電壓或電流。兩者情況下，可能都需要知道輸出阻抗。設計良好的基準電壓源可以在采用重容性去耦時保持穩(wěn)定。不幸的是，有些基準電壓源并不能做到這點，并且電容越大，瞬態(tài)響鈴振蕩量實際上會增加。由于轉換器幾乎都需要一定的本地去耦，因此此類基準電壓源在數(shù)據(jù)轉換器應用中實際上毫無用處?；鶞孰妷涸春蛿?shù)據(jù)轉換器之間可以添加合適的運算放大器緩沖器。不過，有很多品質(zhì)良好的基準電壓源可以在使用輸出電容時保持穩(wěn)定。數(shù)據(jù)轉換器應用中應當選擇這種類型的基準電壓源，而不是進一步提高運算放大器的復雜性和成本。

ADC結構分析精彩摘抄

Part 03

根據(jù)類型的不同，ADC架構有多種分類：Flash轉換器;逐次逼近型ADC;Σ-Δ型ADC;流水線式分級ADC;折疊型ADC;計數(shù)ADC;積分ADC……

其中，逐次逼近型ADC一直是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要依靠。近期設計改良使這類ADC的采樣頻率擴展至兆赫領域且分辨率為18位。隨著逐次逼近型ADC日益受歡迎，其分辨率、采樣速率、輸入/輸出選項和成本開始出現(xiàn)多樣化?，F(xiàn)在，很多SAR ADC提供片上輸入多路復用器，非常適合多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖6.18位2-MSPS開關電容PulSAR ADC AD7641

而Σ-Δ型ADC是現(xiàn)代語音頻帶、音頻和高分辨率精密工業(yè)測量應用所青睞的轉換器。高度數(shù)字架構非常適合現(xiàn)代細線CMOS工藝，因而允許輕松添加數(shù)字功能，而又不會顯著增加成本。

在《ADC和DAC的基本架構》一書中，還有更多關于非線性DAC、直接數(shù)字頻率合成基本原理、電壓頻率轉換器等多個章節(jié)，歡迎下載學習。

原文標題：電子書《ADC和DAC的基本架構》帶你夯實數(shù)據(jù)轉換的基礎

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審核編輯：湯梓紅