解析電阻串DAC架構(gòu)原理

電阻串 DAC 有時(shí)被稱為 Kelvin 分壓器或 Kelvin-Varley 分壓器（以其發(fā)明者命名），是用于 DAC 設(shè)計(jì)最直接的方法之一。最簡(jiǎn)單的電阻串 DAC 只是一系列相同尺寸的電阻器和每個(gè)電阻器之間的接點(diǎn)。適當(dāng)?shù)慕狱c(diǎn)可根據(jù)應(yīng)用于 DAC 的數(shù)字代碼切換至輸出緩沖器。這種有限開關(guān)活動(dòng)可產(chǎn)生極低的干擾能量。在理想情況下，每個(gè)電阻器都會(huì)針對(duì)等于 1 LSB 的參考電壓產(chǎn)生壓降。下圖是該架構(gòu)的簡(jiǎn)單說(shuō)明。

隨著電阻串 DAC 中分辨率的提高，設(shè)計(jì)所需的電阻器數(shù)量也在呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。一個(gè) n 位電阻串 DAC 需要 2n個(gè)電阻器，因此高分辨率電阻串 DAC 通常需要大型 IC 封裝。這就意味著 16 位 DAC 需要 65,536 個(gè)電阻器，18 位需要 262,144 個(gè)，而 20 位則需要 1,048,576 個(gè)電阻器！級(jí)聯(lián)分段技術(shù)有時(shí)可用來(lái)減少所需的電阻器數(shù)量，但對(duì)于我們的用途而言，我們將不考慮分段技術(shù)，因?yàn)榧词箤?shí)施了分段，架構(gòu)趨勢(shì)在應(yīng)用層面也更傾向于實(shí)用。

每個(gè)電阻器值的精確度可直接決定線性度。如果電阻串中任何一個(gè)電阻器的值不合適，我們就會(huì)在代碼轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)現(xiàn)相對(duì)于該電阻器的不良微分非線性度 (DNL)。此外，所有后續(xù)代碼的積分非線性度 (INL) 也會(huì)因?yàn)椴黄ヅ涠a(chǎn)生失調(diào)。由于典型電阻串 DAC 設(shè)計(jì)中的電阻器數(shù)量龐大，我們不可能對(duì)每個(gè)電阻器都進(jìn)行調(diào)整，因此只能接受一定程度上的 DNL 誤差。然而，仍然必須維持良好的 INL 性能，因此可經(jīng)常對(duì)各組電阻器實(shí)施區(qū)域化調(diào)整，以避免調(diào)整每個(gè)電阻器，其在以下 INL 圖中呈“階梯”狀。

電阻串 DAC 的一個(gè)額外優(yōu)勢(shì)是：從參考輸入看，除了在瞬間代碼轉(zhuǎn)換階段外，輸入阻抗都可保持恒定。其它數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)（尤其是 SAR ADC）具有動(dòng)態(tài)加載條件，需要一個(gè)參考緩沖器，而電阻串 DAC 就沒這個(gè)必要。然而一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該對(duì)任何參考進(jìn)行緩沖，尤其是在輸入／輸出隨高頻率變化時(shí)。還需要重點(diǎn)關(guān)注的是參考等效輸入阻抗通常都非常高，可使大多數(shù)電阻串 DAC 具有極高的電源效率。

電阻串 DAC 設(shè)計(jì)最終、最微妙的元件是位于串電阻器及接點(diǎn)之前的分壓器。該電阻器電阻等于串中其余電阻器的等效阻抗，能有效將參考輸入減半。這樣做的目的是降低輸出緩沖器的共模輸入要求，并在實(shí)現(xiàn)良好性能的同時(shí)幫助保持低成本。為了對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，輸出緩沖器一般采取 2 倍的非反相增益，盡管有時(shí)反饋電阻器通過(guò)數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)不同增益。

電阻串 DAC 需要記住的幾個(gè)特性：

• 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低成本；

• 低干擾能量；

• 固有的單調(diào)性；

• 低功耗。

電阻串 DAC 通?？稍诒銛y式電池供電應(yīng)用中找到用武之地，充分發(fā)揮其低功耗優(yōu)勢(shì)。此外，電阻串 DAC 還適用于可充分利用其固有單調(diào)特性的閉環(huán)控制系統(tǒng)等應(yīng)用，以及各種低成本應(yīng)用，在該應(yīng)用中 DAC 只為系統(tǒng)提供一些校準(zhǔn)特性，而不會(huì)像我們?cè)谄渌?DAC 應(yīng)用中可能看到的那樣，擔(dān)任“主角”。