新书上线！《ADC和DAC的基本架构》带你夯实数据转换的基础

提问：

>>>如何连接模拟世界与物理世界？

为更好地帮助工程师朋友们完成产品选型到电路设计的项目各阶段，ADI推出《ADC和DAC的基本架构》一书，旨在梳理 ADC 和 DAC 使用中相关的基础要点以及构架示例。

Part 01

与其将DAC视为具有数字输入和模拟输出的黑匣子，不如了解当今所用的DAC基本架构，这样将更有利于应用，而且能简化选型过程，否则考虑到市场上数不胜数的DAC，产品选型可能非常棘手。在《ADC和DAC的基本架构》的本节内容中，将主要讨论DAC不同基础架构——“串”DAC、“温度计”DAC、二进制DAC、分段DAC……

如图一所示，使用由2N个等值串联电阻和2N个开关(通常为CMOS)，就可以组成最简单的DAC结构——开尔文分压器或串DAC。这种架构非常简单，具有一个电压输出(但输出阻抗与代码相关)，本身具单调性，即使电阻意外短路，输出n也不会大于输出n+1。将其稍作改动，便可得到一个“数字电位计”（图二）

图1.电压输出温度计DAC  >  图2.“数字电位计”

随着高分辨率逐渐成为需求，二进制加权DAC与分段DAC构成了现代精密和高速DAC的支柱架构。1970年，ADI公司推出了AD550“μDAC”单芯片四通道(4位)电流开关构建模块IC，如图9所示。注意，二进制加权电流是利用一个外部薄膜网络产生，而片内激光调整薄膜电阻技术直到数年后才开发出来。晶体管面积成比例(8:4:2:1)，从而确保所有晶体管的电流密度相等，以实现最佳VBE匹配。这些早期IC DAC所建立的基本电路原理至今仍然广泛适用。

图3.AD550“μDAC”四通道开关

当需要设计一个具有特定性能的DAC时，很可能没有任何一种架构是理想的。这种情况下，可以将两个或更多DAC组合成一个更高分辨率的DAC，以获得所需的性能。这些DAC可以是同一类型，也可以是不同类型，各DAC的分辨率无需相同。原则上，一个DAC处理MSB，另一个DAC处理LSB，其输出以某种方式相加。这一过程称为“分段”，这些更复杂的结构称为“分段DAC”。

图4.基于两个3位温度计DAC的6位电流输出分段DAC

Part 02

越来越多的人简单地将DAC视作具有数字输入和一个模拟输出的器件。但模拟输出取决于是否存在称为基准电压源的模拟输入，且基准电压源的精度几乎始终是DAC绝对精度的限制因素。在匹配基准电压源和数据转换器时，基准电压源向导(Voltage Reference Wizard)等设计工具非常有用。

各种各样的ADC和DAC以各种各样的方式支持使用外部基准电压源来替代内部基准电压源。下图提供了一些常见配置——需要外部基准电压源的转换器；内置基准电压源的转换器；采用内部或外部基准电压源但需要额外封装引脚的转换器；外部基准电压源；使用单个封装引脚以外部基准电压源来覆盖驱动内部基准电压源；接外部基准电压源来覆盖内部基准电压源……

图5.常见的ADC/DAC基准电压源选项

DAC的模拟输出可能是电压或电流。两者情况下，可能都需要知道输出阻抗。设计良好的基准电压源可以在采用重容性去耦时保持稳定。不幸的是，有些基准电压源并不能做到这点，并且电容越大，瞬态响铃振荡量实际上会增加。由于转换器几乎都需要一定的本地去耦，因此此类基准电压源在数据转换器应用中实际上毫无用处。基准电压源和数据转换器之间可以添加合适的运算放大器缓冲器。不过，有很多品质良好的基准电压源可以在使用输出电容时保持稳定。数据转换器应用中应当选择这种类型的基准电压源，而不是进一步提高运算放大器的复杂性和成本。

Part 03

根据类型的不同，ADC架构有多种分类：Flash转换器；逐次逼近型ADC；Σ-Δ型ADC；流水线式分级ADC；折叠型ADC；计数ADC；积分ADC……

其中，逐次逼近型ADC一直是数据采集系统的主要依靠。近期设计改良使这类ADC的采样频率扩展至兆赫领域且分辨率为18位。随着逐次逼近型ADC日益受欢迎，其分辨率、采样速率、输入/输出选项和成本开始出现多样化。现在，很多SAR ADC提供片上输入多路复用器，非常适合多通道数据采集系统。

图6.18位2-MSPS开关电容PulSAR® ADC AD7641

而Σ-Δ型ADC是现代语音频带、音频和高分辨率精密工业测量应用所青睐的转换器。高度数字架构非常适合现代细线CMOS工艺，因而允许轻松添加数字功能，而又不会显著增加成本。

在《ADC和DAC的基本架构》一书中，还有更多关于非线性DAC、直接数字频率合成基本原理、电压频率转换器等多个章节，欢迎下载学习。