一文講透高速DAC基本架構(gòu)

DAC并非僅僅是ADC的反向過程。DAC的最簡單架構(gòu)是電流導(dǎo)向電路。DAC被設(shè)計(jì)為將一定量的電流導(dǎo)入或?qū)С鲐?fù)載。而歐姆定律將這一電流與輸出電壓聯(lián)系起來。在此例中，如果DAC的滿量程輸出為30毫安，接入一個(gè)50歐姆的負(fù)載，那么滿量程輸出電壓在上述例子中將是1.5伏（單端）或3.0伏（峰峰值差分）。

電流導(dǎo)向型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Current-steering D-to-A converters）可以是電流吸收型或電流源型。差異在于DAC的電流來源是來自DAC電源并經(jīng)由負(fù)載電阻至接地，或是來自外部上拉電源并經(jīng)由負(fù)載電阻，然后再經(jīng)由數(shù)字轉(zhuǎn)模擬轉(zhuǎn)換器后汲入至接地。

電流源型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（Current Source D-to-A Converter）通常會(huì)采用P溝道器件作為電流源，而電流吸收型DAC則通常會(huì)采用N溝道晶體管。在兩種情況下，輸出電壓都會(huì)根據(jù)歐姆定律，通過考慮流經(jīng)負(fù)載電阻的電流量來確定。

無論是電流源型還是電流同步型，一種實(shí)現(xiàn)DAC輸出級(jí)的方法是將輸出級(jí)作為電流模式驅(qū)動(dòng)器的并聯(lián)組合來實(shí)現(xiàn)，其中每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的電流能力相對于相鄰驅(qū)動(dòng)器按2的冪次方進(jìn)行縮放。在這個(gè)簡單的3位示例中，最高有效位（MSB）的驅(qū)動(dòng)器具有500微安的電流容量，而下一個(gè)位（中間位）的驅(qū)動(dòng)器具有250微安的容量，最低有效位（LSB）的驅(qū)動(dòng)器具有125微安的容量。當(dāng)所有三個(gè)驅(qū)動(dòng)器都激活時(shí)，滿量程輸出電流為±875微安。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，對于N位的分辨率，只需要設(shè)計(jì)N個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器以并行輸出。然而，其缺點(diǎn)是，隨著位數(shù)的增加，要使輸出驅(qū)動(dòng)器匹配變得難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樽罡哂行坏娜莶羁赡軙?huì)遠(yuǎn)大于最低有效位所期望的分辨率容差。除非從最高有效位到最低有效位，每個(gè)位的電流能力都嚴(yán)格按照2的冪次方進(jìn)行縮放，并保持相應(yīng)的容差，否則DAC的線性度將會(huì)受到影響。

DAC電流輸出的另一種方法是使輸出驅(qū)動(dòng)器的電流容量相匹配。在這種方法中，更容易保持輸出驅(qū)動(dòng)器的容差，從而實(shí)現(xiàn)從一個(gè)驅(qū)動(dòng)器到下一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的良好匹配。但是，對于N位的分辨率，現(xiàn)在需要2的N減1次方個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器。以所示的3位DAC為例，將需要七個(gè)具有相同電流容量的輸出驅(qū)動(dòng)器。要實(shí)現(xiàn)滿量程輸出，則需要所有驅(qū)動(dòng)器并行激活。

在此例中，輸入取樣碼會(huì)從算術(shù)碼轉(zhuǎn)換為溫度計(jì)碼，且每位的溫度計(jì)碼皆控制個(gè)別的輸出驅(qū)動(dòng)器。此結(jié)構(gòu)中的輸出驅(qū)動(dòng)器之間可達(dá)到較佳的匹配，但對于高分辨率取樣而言，需實(shí)作的驅(qū)動(dòng)器數(shù)量就變得十分龐大。14位的數(shù)字轉(zhuǎn)模擬轉(zhuǎn)換器會(huì)需要16,535個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)。

為了實(shí)現(xiàn)更高分辨率的DAC，可以采用二進(jìn)制DAC和溫度計(jì)碼DAC的組合。在這個(gè)例子中，一個(gè)6位的DAC可以使用采樣值的高3位來控制一個(gè)溫度計(jì)碼DAC，這樣只需要7個(gè)匹配的電流驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)。然后，低3位可以用來控制另外3個(gè)電流驅(qū)動(dòng)器，這些驅(qū)動(dòng)器的電流大小按2的冪次方進(jìn)行縮放。這樣，電流縮放的匹配范圍就只需要覆蓋到2的4次方。對于14位到16位這樣更高分辨率的DAC，很可能會(huì)采用這種編碼方式的組合來實(shí)現(xiàn)。

以16位DAC為例，采樣值的高6位被轉(zhuǎn)換為63位的溫度計(jì)碼，以驅(qū)動(dòng)63個(gè)匹配的電流源。同時(shí)，采樣值的低10位被直接用來驅(qū)動(dòng)另外10個(gè)按比例縮放的電流源，這些電流源也與63個(gè)匹配的電流源并聯(lián)。因此，電流驅(qū)動(dòng)器的總數(shù)為73個(gè)，且這10個(gè)按比例縮放的二進(jìn)制電流驅(qū)動(dòng)器必須在2的11次方（即從0到2047，但考慮到電流源的實(shí)際等級(jí)，是從最小電流到最大電流的2048個(gè)等級(jí)中的某10個(gè)）的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的匹配。

也就是說，10個(gè)二進(jìn)制驅(qū)動(dòng)器的電流大小在2的10次方（即從1到1024，但實(shí)際等級(jí)數(shù)為0到1023對應(yīng)的電流，此處強(qiáng)調(diào)縮放比例范圍）的范圍內(nèi)按比例縮放，而溫度計(jì)碼驅(qū)動(dòng)器的電流大小都是最大比例驅(qū)動(dòng)器電流的兩倍。