关于几种常见并行结构DAC的性能比较

关于几种常见并行结构DAC的性能比较

王天罡

中电科思仪科技股份有限公司 266500 山东青岛

摘要：数模转换器是数字信号转换为模拟信号的核心器件，主要应用在航空航天、仪表仪器以及医疗设备制造等多个领域中。但是由于DAC结构形式具有多样性，在不同的应用场景下，需要在掌握DAC不同结构和性能的基础上，才能选择合适的DAC电路，这样才能获得良好的应用效果。本文重点分析了几种常见并行结构DAC的性能比较。

关键词：DAC；电阻；电容；缩放

DAC是现阶段普遍应用的一种电路形式，在实际应用过程中的主要作用是能够将输出级的反馈的八位二进制数字编码处理，针对特定的参考电压，及时的转换为具体的模拟电平，进而实现传输到比较器的反相终端，同时还能够与输入的采样电平做出科学的比较分析，确保点位持续高位还是清零的状态。DAC电容阵列的在充放电的过程中能够对DAC的性能产生一定的影响，同时还能够对整个电力系统的精度和速度以及功耗等多项指标产生不同程度的影响。所以，对DAC 模块进行科学合理的设计非常关键。DAC电路主要分为两种不同的类型串行DAC主要利用串联的方式实现模块转换，一次转换一位，并且每次转换所耗费的时间都相同。并行DAC结构的形式主要有以下类型，即电压按比例缩放DAC和电流按比例缩放DAC以及电荷按比例缩放DAC等，以下就此三种结构类型进行具体分析。

一、电压按比例缩放DAC

对于DAC的三种不同类型电路中，电压会根据实际比例缩放DAC，最初是应用在SAR ADC当中，此种类型的电路结构及具体的工作原理相对简单。在电压按比例缩放DAC电路结构中，明确参考电压，然后在对地电压与参考电压间，串联2N个阻值相等且大小相同的电阻，在此结构中将参考电压分为2N等份，并且在设计过程中应保证每个电阻间都设有灵活的开关，与输出端进行有效的连接，利用SAR ADC的结构逻辑对电路进行控制，并对开关的导通与关闭的灵敏性进行测试，最后将二进制数字编码转变为模拟电压输出，达到模数转换的目标和要求。结合电阻的分压设计原理，可以获得，输出电压值的范围从高到低的具体值。

在此电路结构中，等值电阻串DAC的具有显著的优势，主要是因为利用等值电阻串联实现了分压，因此，分压的实际精准度较高，但是也存在一定的缺点，即输出电容相对较大。另外，针对N位电压根据比例缩放DAC，工需要设计2N-1各开关，并且还需要相同数目连接输出端Vout的控制信号线，因为控制信号线设计的总体数量与DAC的位数N具有指数关系，在实践中随着位数N的不断增加，控制信号系统也会越发的复杂。因此，位数相对较高的DAC大部分都采用树型结构的开关的电阻串。针对N位开关树结构的电阻串DAC来说，在实际应用期间只要设计N个控制信号线，虽然开关的数量有所增加，但与输出端连接的控制信号线却显著减少，在一定程度上也促使DAC的输出电容显著减低。结构缺点主要体现在开关数量的增加，致使数模转换的效果不够理想，对DAC的精准度产生了不良影响。

二、电流按比例缩放DAC

电流根据特定的比例缩放DAC也是最早普遍应用的DAC结构。其应用原理也相对简单，主要是通过将基准电压Vref转变为二进制的加权电流，再利用运算放大器将产生的电流输出电压Vout,最后实现数模转换的目标。电流根据比例缩放DAC在实际应用过程中最大的优点就是转换速度较快，主要是由于在转换过程中不会受到寄生电容的限制。但是缺点也较为明显，因为电阻值呈现出指数递增的状态，需要的电阻值的实际范围也不断的扩大，进而导致DAC的面积也增大。与此同时，也会导致电阻的适配性降低，产生较大的适配误差，从而导致DAC的精度降低，通常情况下10位以下，具有非单调性的特点。针对以上的优缺点分析，提出了电流按比例进行缩放的DAC R-2R梯形结构电路，能够有效的改变上述电路结构的不足，但是只有R和2R两种形式的电阻，总体上来看电阻变化的范围缩小，较少了面积同时也改善了电阻适配差的情况，并且具有较高的精度。

三、电荷按比例缩放DAC

电荷根据比例缩放DAC是现阶段应用较为广泛的一种DAC结构形式，兼备采样保持功能特征的同时，还具有精度高的优势，已经成为现阶段SAR ADC主要采用的一种结构形式。以五位的电荷按比例缩放DAC的电 路实现形式为例。在整个结构中SAR ADC使用的是二进制算法，具体转换流程为，首先，SARADC的逻辑控制部分将寄存器输出的最高位设置为1，相对应的参考电压为基准电压的一半。在比较过程中，最高位MSB的电容端连接到基准电压，驱动公共端电压会逐渐的朝着正端移动。根据电荷按比例缩放DAC的基本原理，认为只有电容在充放电的过程中才会产生直流功耗，所以此结构的耗能相对较低。并且CMOS中电容的匹配精度更高，相比电阻来说更高，所以，此结构在SAR ADC中获得了普遍的应用。另外，电荷按比例缩放DAC能够同时达到采样保持电路的自身功能，无需利用额外的采样保持电路。但是当DAC的位数相对较高的情况下，受到电容值为二进制指数关系递增的影响，电容的取值范围会拓宽，进而导致电容的失配概率增加，从而降低了精准度，在一定程度上也增加了芯片的面积，对电路转换效率产生了不良影响，这也是此结构较大的缺点。

结束语：

几种常见的并行结构DAC在实际应用过程中都存在较大的差别，从运行原理和电阻范围以及温度敏感性和功耗等方面分析了不同结构的应用优势和缺点，进而为在不同成场景下，合理的选择DAC的结构类型提供参考。因此，应根据具体的情况，在深入了解不同类型DAC 性能和特点的基础上，合理地选择不同类型的DAC结构形式，这样才能在不同的场合中，满足实际应用的需求，实现良好的应用效果。

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