R2R 架構與電阻串DAC架構的區(qū)別

　　當我們在專門研究模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、運算放大器(OpAmp)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)以及其他電子架構的工程類院校修完其主干課程以后，您可能會認為您已理解了這些電路的所有基本功能。大多數(shù)人均對ADC的工作原理有了一個很好的了解，但是對DAC的工作原理卻不太熟悉，它究竟有何功能呢?同樣，對于大多數(shù)人來說，DAC只不過是一個輸入端為數(shù)字信號數(shù)據(jù)而輸出端為模擬信號數(shù)據(jù)的“黑匣子”。只有為數(shù)不多的人知道其在架構方面的區(qū)別，以及與R2R梯形架構相比一個電阻串架構(stringarchitecture)所具有的優(yōu)點和缺點，反之亦然。了解他們之間的不同之處并了解這些通用DAC的工作原理可以使設計人員為其應用選擇最佳的DAC。

　　由于DAC通常被視為一個輸入端為數(shù)字信號數(shù)據(jù)而輸出端為模擬信號數(shù)據(jù)的“黑匣子”，所以在這一點上我就不多說了。數(shù)字數(shù)據(jù)可以是串行數(shù)據(jù)格式也可以是并行數(shù)據(jù)格式。串行接口(例如，對數(shù)字數(shù)據(jù)流進行串行傳輸?shù)腟PI或I2C接口)就像是一個進入“黑匣子”的項鏈或鏈條，而并行接口會將一個時鐘周期中所有的必要的比特數(shù)加載到該器件中。在該器件的另一端，模擬輸出信號為是一個電壓或一個電流，請參見圖1。

　　圖1數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要功能

　　不同的輸入接口所提供的數(shù)據(jù)格式也有所不同，所以在速度、引腳數(shù)量、芯片面積、器件尺寸以及靈活性上都有很大的不同。然而，這兩種接口(串行接口或并行接口)均可以將數(shù)字數(shù)據(jù)輸入到該器件中。

　　一旦數(shù)字數(shù)據(jù)被輸入到黑匣子(第一個功能塊)，那么輸入寄存器就會像串行-并行轉(zhuǎn)換那樣工作，或者在多通道器件中對該數(shù)據(jù)進行存儲，直到該數(shù)據(jù)被傳輸至單個DAC寄存器中。在輸入寄存器和DAC架構之間起連接作用的DAC寄存器將起到一個存儲器的作用，并對數(shù)字數(shù)據(jù)加以存儲。

　　在DAC設計之初，該DAC寄存器為一個保存數(shù)字數(shù)據(jù)的外部存儲器。如果沒有該DAC寄存器，那么由于模擬電路的實時饋入，DAC的輸出將隨著外部輸入總路線的任何變化而立即發(fā)生變化。在用戶決定用新代碼更新DAC寄存器之前，該數(shù)據(jù)會一直駐留在DAC寄存器之中。DAC寄存器主要起到了一個觸發(fā)電路的作用。

　　圖2基本的功能塊架構

　　當今的高精度DAC主要采用了兩種架構：R2R架構和電阻串架構。這兩種架構均為采用了一些數(shù)字控制邏輯的模擬電路。通過一款基本的R2R架構，就有可能生成一個電流輸出或電壓輸出;而電阻串架構只能利用一個輸出緩沖器生成一個電壓輸出，如圖2中的輸出電路結(jié)構圖所示。在電流輸出的情況下，沒有實施輸出緩沖器。

　　電阻串架構

　　顧名思義，電阻串架構就是一個以串聯(lián)形式放置的一串電阻，以構建一個電阻串。從理論上來說，您可能會需要256個電阻才能構建一款8位DAC(28=256)，(請參見圖3)。

　　圖3主要的電壓輸出電阻串架構

　　提高精度也就是說要增加所需電阻的數(shù)量以構建一個電阻串DAC。對于一款16位DAC而言，可能需要65,536個電阻才能生成所有可能的電壓/數(shù)字階躍(step)。但是，在現(xiàn)實真正的設計中，在一顆芯片上實施近66,000個電阻是不切實際的，對于當今的小封裝，低功耗和低成本要求而言尤為如此。因此，設計人員推出了其它更小的電路設計方案，如可降低電阻串上所需電阻數(shù)量以及接觸點的內(nèi)插式放大器，從而實現(xiàn)了功耗更低且更節(jié)省空間的設計。該內(nèi)插式放大器用來代替輸出緩沖器。當今的一些電阻串架構擁有一個可用作放大器外部反饋環(huán)路的引腳。

　　圖3顯示了一款包含了內(nèi)部輸出緩沖器的電阻串架構，該緩沖器可生成相當于數(shù)字輸入代碼的電壓輸出。

　　由于特定的電阻串架構，電阻串DAC具有低成本和保證單調(diào)性能的優(yōu)點。值得一提的另外一個很重要的優(yōu)點是可以實現(xiàn)小型封裝的低功耗和小裸片面積，從而使他們非常適合便攜式應用。其另外一個優(yōu)點是輸出緩沖器已經(jīng)包括在該架構之中，從而無需使用更多的板上外部組件。其次，該輸出緩沖器還實現(xiàn)了內(nèi)部電阻和模擬電路與外界的隔離，這在低阻抗電路中非常有用。許多應用都要求低突波能量，這也是電阻串架構的另外一個優(yōu)點所在。

　　另一方面，由于電阻串設計的更高阻抗，所以其噪聲通常會高于R2R架構的噪聲。設計人員還應該清楚地知道有限的精度(亦稱為積分非線性(INL))。較早的設計通常在中-60最低位(LSB)提供INL數(shù)字，而較新型的一些設計則利用改進的工藝技術，現(xiàn)在可以在4LSB區(qū)域提供典型的INL數(shù)字。對于諸如馬達控制或過程控制的許多閉環(huán)應用而言，一個典型的4LSBINL就已經(jīng)足夠了。然而，對于其它應用而言(如：自動測試設備)，這還遠遠不夠，那些應用通常需要1LSBINL。因此，就有了另外一種不同的架構：R2R架構。

　　R2R架構

　　R2R架構主要是由形成一個電阻梯形的并聯(lián)電阻組成。圖4顯示了一種可能的R2R梯形，這是一款乘法DAC(MDAC)，其R2R梯形的頂部與外部參考電壓相連。訪架構可以輸出一個相當于數(shù)字輸入代碼的電流。

　　圖4主要的電流輸出R2R架構

　　在硅片中實施一個R2R梯形的另一種方法如圖5所示。其外部參考電壓沒有和R2R梯形直接連接。根據(jù)不同的數(shù)字輸入代碼，開關將通過R2R網(wǎng)絡把參考電壓或接地電平連接至輸出緩沖器，該輸出緩沖器將所生成的電壓信號轉(zhuǎn)換成輸出電壓。

　　圖5主要的電壓輸出R2R架構

　　圖5所示的架構只允許從0V到應用外部參考電壓的單極輸出電壓(請注意，DAC的電源電壓必須等于或高于參考電壓)。通過將接地電平連接至一個額外的外部負參考電壓可以對后來提及的架構進行修改，而通過修改該架構則可以實現(xiàn)雙極運行。圖6顯示了修改后的架構。此種類型的架構還可用于選擇靈活的參考電壓。雖然VREFL可以為負電壓，但不需要讓其為負電壓。但是，VREFL必須要低于VREFH。詳盡的描述與參數(shù)請參見現(xiàn)有的產(chǎn)品說明書，如：DAC7714。

　　圖6主要的雙極R2R架構

　　R2RDAC具有低噪聲和高精度的優(yōu)點，其可能會提供±1LSBINL的卓越精度和DNL性能。而且，該架構可實現(xiàn)高電壓輸出，MDAC擁有較快的建立時間(小于0.3μsec)，以及大于10MHz的乘法帶寬。一般而言，其他R2R拓撲結(jié)構僅擁有中等的建立時間性能。

　　對于更寬泛的應用范圍(如數(shù)控校驗或工業(yè)可編程邏輯控制(PLC))而言，MDAC在使用設計人員所選擇的外部輸出緩沖器方面的靈活性使該架構類型更為有用。設計人員可以為特定的應用挑選最佳的運算放大器。另一方面，對于板上器件數(shù)量不斷增加的低阻抗連接而言，需要一個外部緩沖器。其次，與R2R架構相比，突波能量當然更適合電阻串架構，因此，對于波形生成和其他突波能量敏感型應用而言，很少采用R2RDAC。

　　結(jié)論

　　我們不但要考慮諸如增益誤差或偏移誤差等其他電氣規(guī)范，而且還要考慮隨著溫度變化而發(fā)生的漂移或滿量程誤差等重要的參數(shù)，這些參數(shù)通常與具體的架構無關。為了有一個良好的開端，設計人員應首先查看基本要求并問問自己對最低精度和線性度有何要求。如果是在閉環(huán)應用中，那么一款較低成本且線性較差的電阻串DAC就足夠了;而如果是在開路應用中，則R2R架構在提供更佳的線性度和更高的精度方面就顯得更加出色