基礎知識之D/A轉換器

D/A轉換器(Digital-to-Analog Converter, DAC)是指將數字(Digital)量轉換為模擬(Analog)量的元器件。

相同間隔不連續的量

時間上離散、量方面離散

大小連續的量

時間上連續、量方面離散

A/D轉換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)與D/A轉換器相反，是指將模擬量轉換為數字量的元器件。

電氣高精度處理、高速處理在CPU、DSP中以數字方式進行信號處理。從自然界現象進行A/D轉換及數字信號處理，處理后為轉換為自然界值，搭載了D/A轉換器。

微細加工技術的進步→信號處理的數字化→需要A/D轉換器, D/A轉換器

雖然數字世界是由二進制來表示的， 與二進制兼容性好、容易被人理解的十六進制也經常被使用。 二進制只用0和1來表示。以0和1這一對數字作為符號，但L/H有時也會被使用。

十進制=Decimal　二進制=Binary　十六進制=Hexadecimal

為了區別是幾進制，在數字后面加上d、b、h來區分。

【例】11d（十進制的11）、11b（十進制的3）、11h(=17d)

二進制是增加1位后所表示的數之間相差2倍。 紅色部分是在A/D轉換器和D/A轉換器中經常使用的。

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

【什么是bit】

這是表示二進制位的二進制數(binary digit)的簡稱，把0或者1中任意數字表示的二進制的1位稱作bit。

D/A轉換器有各種實現方法。

電阻元件是在IC上易處理的模擬設備。 比精度也比較好,無需修整就可以實現高達約10bit的精度。 由于選擇合適的電阻值，從低速到高速，可涵蓋的范圍很廣。

在一般IC中由于電容器比電阻的相對精度高，在中高精度的D/A轉換器中使用的比較多。 為了獲取更高的精度，必須要大電容，充放電時長時間加速比較困難。 另外，在低頻時為了補充泄漏電流，需要不斷更新，所以工作變得復雜。

這是面向高速（數MHz～）用途的變換方式。根據數字輸入，通過開關電流源來切換輸出電流。 輸出電流是用電阻、運算放大器來進行電流-電壓的變換。

面向高精度(16bit～)用途的變換方式。 這是過濾了低分辨率和高采樣率的輸出，從而得到所期望的模擬信號。 用“0”和“1”2個值輸出和低通濾波器來構成的1bitΔ-Σ的方法是常見的。

把變換后的數字值傳送給電路稱作解碼器系統。

【電阻分壓方法DAC例】

在最簡單的DAC中，也有被稱作電阻串。 下圖是一個在3bit分辨率（Resolution）的DAC中，用電阻分壓，在開關中選擇一個地方的方法。 如果把電阻值變小，提高后續階段的緩沖放大器，雖然可能高速工作，但由于在高分辨率中的開關寄生電容的限制，而導致工作速度降低。

優點是出色的線性度，原則上，必須保證單調增加性。 缺點是根據分辨率，電路規模成倍的增大。 在3bit中需要8個電阻和開關，4bit中需要16個電阻和開關…在10bit中需要1024個電阻和開關。

【兩級 電阻分壓方法DAC例】

電阻分壓式DAC分成兩級配置。 下圖是6bit分辨率的DAC中，在第一級（左）Vref-GND之間選擇一個電阻的兩端（圖中選擇了從上數下來第三個電阻的兩端）。 在第二級（右）中，這個電壓再進一步 分壓，從而獲得了精細的分辨率。 優點是比起一級結構，由于控制了電路 規模，構成6bit的DAC所需要的電阻和開關數量控制在16個和18個（電阻分壓方法的情況下，無論哪個都需要64個）。 由于每增加一個級數就必須追加2個放大器，所以要權衡電阻和開關減少量進行選擇。 缺點是增加了惡化作為DAC特點的因素。 比如速度，兩個放大器會延遲。 輸出電壓的精度可能會產生兩級放大器的偏移。

通過接收數字值工作的電路系統叫做二進制方式。

二進制方式是根據電路的構成帶有加權數據，以下圖R-2R梯形電路為代表性例子。 R-2R梯形電路為了無論從哪個節點都可以看到電阻值2R的并聯，每個節點的電流值都逐漸減半。

【R-2R梯形DAC例】

下圖是擁有4bit分辨率的R-2R梯形DAC。 優點是在小面積中可容易做出分辨率為10bit左右的DAC（所需電阻在Nbit的DAC中需要3N個，開關不用很大，也無需解碼器)，與其他方法相結合，如果是14bit左右的話可以實現。 缺點是為了電阻的高相對精度，在實現高精度時需要對開關（MOSFET的尺寸）和布局（R和2R的匹配性很重要，特別是MSB側=AO側的電阻必須準確制作）下功夫。

下圖是為了展示使用了電容器的DAC想法的概念圖。 這個DAC需要在開關切換時使用。

【使用了2NC電容器的DAC例】

下圖是使用了電容器、4bit分辨率的DAC例子。A0～A3無論哪個開關倒向Vref側，都能得到不同的Vout電壓。此時，放大器右邊的兩個開關同時ON，為了破壞電荷守恒的關系，在時鐘信號下導通時間需要不重疊。 優點是由于電容器的相對精度高，容易獲得高精度，另外為了電容器內不產生直流電流，低頻時只有放大器電流可低電流消耗。 缺點是為了電容器充電和放電，不適用于加速， 在低速時為了彌補漏電流，必須要刷新操作。刷新控制需要對維持刷新中的輸出電壓等下功夫。

【用了2NC電容器的DAC（有刷新控制）例】

使用了具有刷新控制的CAPA的4bit分辨率DAC。

【電阻－電容器混合型 DAC例】

擁有在電阻串DAC部分（左）3bit，電容器DAC部分3bit，共6bit分辨率的混合型DAC。 上位bit的電阻間的電壓根據下位數據加權插值。 優點是可得到高分辨率。

數據切換的瞬間，完全不同的電壓（或電流）輸出，在輸出模擬信號中產生噪聲。這個噪音叫做干擾。這個干擾的解決方案之一是使用溫度計碼（Thermometer code）。

溫度計碼是指“看有多少個1來表示數字”的事物。（就像人們數數時，豎起手指數一樣） 能夠抗干擾，但二進制代碼轉換為溫度計碼時，解碼器根據分辨能力，呈指數的電路規模。

【溫度計碼 ＜電阻模式＞DAC例】

使用了溫度計碼的3bit分辨率DAC例子。 當然不會產生干擾。

【溫度計碼 ＜電流模式＞DAC例】 在若干單元格中拉動電流時決定了輸出 電壓Vout電流型DAC。 下圖是8×8的64灰度級=6bit分辨率的例子。 粉色部分增加時，從R拉動的電流增加， Vout下降。 根據溫度計碼的控制，在Vout中不會產 生干擾。

上圖是電流型DAC上下相反的東西。 由于是共源共柵電流源，不容易受輸出 電壓的影響，可高精度化。