R/2R階梯數(shù)模轉(zhuǎn)換器,R/2R階梯數(shù)模轉(zhuǎn)換器原理

DAC的發(fā)展經(jīng)歷了從電子管、晶體管到集成電路的發(fā)展過程，早期的DAC采用電子管組裝而成。進(jìn)入五十年代中期，晶體管的出現(xiàn)并成熟應(yīng)用，使得DAC進(jìn)入晶體管時代。從六十年 代中期開始，構(gòu)成DAC和ADC的主要功能單元電路——如運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電壓源、電壓比較器、電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬電子開關(guān)和邏輯控制電路等，己陸續(xù)實(shí)現(xiàn)集成化，特別是集成化運(yùn)算放大器已開始進(jìn)入大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)階段。在此基礎(chǔ)上人們逐摒棄了完全由分立元、器件組裝DAC和ADC的傳統(tǒng)方法，開始選用那些現(xiàn)成的具有某種單一功能的集成電路——如集成化運(yùn)算放大器、邏輯集成電路、集成電壓比較器或集成基準(zhǔn)電壓源等集成電路單元，并外加一些必要的元、器件，來組裝DAC和ADC。這種結(jié)構(gòu)形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，與完全由分立元、器件組裝的轉(zhuǎn)換器相比在一定程度上簡化了組裝結(jié)構(gòu)。無論 是 完 全由分立元、器件組裝的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，還是由集成電路單元附加許多分立元、器件組裝的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，都被稱為組件型轉(zhuǎn)換器。其中，前者被稱為第一代組件型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，而后者被稱為第二代組件型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。顯然，第二代組件型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是全集成化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的先聲。在第 二 代 組件型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器發(fā)展的同時，出現(xiàn)了混合集成電路型轉(zhuǎn)換器(也叫混合型轉(zhuǎn)換器)。與其他許多混合型模擬集成電路一樣，混合型集成轉(zhuǎn)換器是把分立的晶體管(或者單片集成的具有基本功能的單元電路，或者單片集成的低位轉(zhuǎn)換器)粘貼在絕緣襯底上，再通過薄膜或者厚膜技術(shù)，在同一絕緣襯底上制作電阻、電容和金屬互連線，從而構(gòu)成具有完整功能的轉(zhuǎn)換器。常見的混合型集成轉(zhuǎn)換器都是采用薄膜技術(shù)構(gòu)成的。 1971年誕生了第一塊全集成DAC，它的出現(xiàn)標(biāo)志著數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器真正達(dá)到了工業(yè)化大批量生產(chǎn)的階段，擺脫了精心挑選轉(zhuǎn)換器中元、器件的麻煩，從而大大降低了成本，提高了可靠性。此后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器得到迅速發(fā)展。新的設(shè)計思想、新的制作工藝和新的種類不斷增加，性能不斷提高。工藝上，不但雙極型器件的工藝進(jìn)一步得到改進(jìn)，使雙極型轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的邏輯電路可采用高速的ECL電路或者高集成度的I2L電路，而且增加了MOS工藝，特別是CMOS工藝，使得DAC的集成度和功耗都有很大的改進(jìn)。

基本原理：

下圖5是R/2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC結(jié)構(gòu)原理框圖。

從圖中n-n’端口向右看入的電阻值是R，從2-2’、1-1’端口向右看入的總電阻值也是R，但是從a-a端口處向右看入的總阻值是2R。同理，從每個2R電阻向右看入的電阻值均是2R。因此，電流每流經(jīng)一個2R支路就被衰減一半。所以從左到右，各2R電阻中的電流比例關(guān)系為：1: 2-1:2-2:…:2-n+1。也就是說，流經(jīng)各2R電阻中的電流是二進(jìn)制的權(quán)電流。

當(dāng)輸入數(shù)字信號為0時，開關(guān)K接到1的位置，當(dāng)輸入數(shù)字信號為1時，開關(guān)K接到2的位置，這樣就實(shí)現(xiàn)了按照數(shù)字輸入而變化的權(quán)電流加權(quán)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字一模擬的轉(zhuǎn)換。n位權(quán)電流發(fā)生電路需要n+l個值為2R的電阻和n個值為R的電阻。隨著分辨率的提高，電阻的個數(shù)增加，但電阻始終是R和2R兩種，而且2R電阻可以設(shè)計成為兩個R電阻的串聯(lián)。因此R/2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器克服了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻值種類繁多的缺點(diǎn)。無論從改善電阻的匹配精度和減小總值的角度說，R/2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)都更為有利。集成的并行位電流控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，多采用R/2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)。

但是R/2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC結(jié)構(gòu)本身也存在不足，梯形電阻網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于傳輸線，從模擬開關(guān)到梯形電阻網(wǎng)絡(luò)建立穩(wěn)定的輸出要一定的傳輸時間，轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，所需要的傳輸時間就越長，因此在位數(shù)較多時將直接影響DAC的轉(zhuǎn)換速度。另外，當(dāng)輸入數(shù)字信號有n位同時發(fā)生變化時，由于各級信號傳輸?shù)捷敵龆说臅r間不同，因而在輸出端可能產(chǎn)生瞬時尖峰。