R2R和电阻串DAC架构差异

　　数模转换器均采用两种基本架构，您对其特性的了解将有助于为应用选择正确的转换器架构。

　　由于大多数工程师都在工程类院校专门学习过有关模数转换器(ADC)、运算放大器(Op Amp)、数模转换器(DAC)以及其他电子架构的课程，因此您可能会认为他们已理解了这些电路的所有基本功能。大多数人都对 ADC 的工作原理有了一个很好的了解，但是对 DAC 的工作原理却不太熟悉，它究竟有何功能呢?

　　同样，对于大多数人来说，DAC 只不过是一个输入端为数字信号数据而输出端为模拟信号数据的“黑匣子”。只有为数不多的人知道其在架构方面的区别，以及与 R2R梯形架构相比一个电阻串架构所具有的优点和缺点。了解他们之间的不同之处并了解这些通用 DAC 的工作原理可以使设计人员为其应用选择最佳的 DAC。本文将对 DAC 的基本工作原理进行阐述，并对您一直想知道的一些问题做出解答。

　　尽管 DAC 通常被视为一个输入端为数字信号数据而输出端为模拟信号数据的“黑匣子”，但却内藏玄机。数字数据可以是串行数据格式也可以是并行数据格式。像 SPI 或 I2C 之类串行传输数字数据流的接口，就像是一条条进入“黑匣子”的项链或链条，而并行接口会在一个时钟周期内将所有必要的比特加载到该器件中。与该器件的另一侧，模拟输出信号可以是一个电压或一个电流，如图1 所示。

　　

 

　　图1 数模转换器的主要功能

　　不同的输入接口所提供的数据格式也有所不同，所以在速度、引脚数量、芯片面积、器件尺寸以及灵活性上都有很大的不同。但是，串行和并行接口均能将数字数据输入到该器件中。

　　一旦数字数据被输入到黑匣子(第一个功能块)，那么输入寄存器就会像串行-并行转换那样工作，或者在多通道器件中对该数据进行存储，直到该数据被传输至单个 DAC 寄存器中。在输入寄存器和 DAC 架构之间起连接作用的 DAC 寄存器将起到一个存储器的作用，并对数字数据加以存储。

　　在 DAC 设计之初，该 DAC 寄存器为一个保存数字数据的外部存储器。如果没有 该 DAC 寄存器，那么由于模拟电路的实时馈入，DAC 的输出将随着外部输入总线的任何变化而立即发生变化。在用户决定用新代码更新 DAC 寄存器之前，该数据会一直驻留在 DAC 寄存器之中。DAC 寄存器主要起到了一个触发电路的作用。

　　架构

　　当今的高精度 DAC 主要采用了两种架构：R2R 架构和电阻串架构。这两种架构均为采用了一些数字控制逻辑的模拟电路。通过一款基本的 R2R 架构，就有可能生成一个电流输出或电压输出;而电阻串架构只能利用一个输出缓冲器生成一个电压输出，如图2 中的输出电路结构图所示。在电流输出的情况下，没有实施输出缓冲器。

　　

 

　　图2：基本功能模块

　　电阻串架构

　　顾名思义，电阻串架构就是一个以串联形式放置的一串电阻，以构建一个电阻串。从理论上来说，您可能会需要 256 个电阻才能构建一款 8 位 DAC(28 = 256)(请参见图3 )，包括产生一个电压输出的内部输出缓冲器，该电压输出同数字输入代码等效。

　　

 

　　图3 主要的电压输出电阻串架构

　　提高精度也就是说要增加所需电阻的数量以构建一个电阻串 DAC。对于一款 16 位DAC 而言，可能需要65,536 个电阻才能生成所有可能的电压/数字阶跃(step)。但是，在现实真正的设计中，在一颗芯片上实施近 66,000 个电阻是不切实际的，对于当今的小封装，低功耗和低成本要求而言尤为如此。

　　因此，设计人员推出了其他更小的电路设计方案，如可降低电阻串上所需电阻数量以及接触点的内插式放大器，从而实现了功耗更低且更节省空间的设计。该内插式放大器用来代替输出缓冲器。当今的一些电阻串架构拥有一个可用作放大器外部反馈环路的引脚。