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ADI
技术指南合集
第一版
数模½换器
目½
DAC
基本架构
I：DAC
串和温度计
(
完全解码
)DAC .............................................................................. 1
DAC
基本架构
II：二进制 DAC .................................................. 7
DAC
基本架构
III：分段 DAC ...................................................17
DAC
接口基本原理
.......................................................................23
数字电½计
......................................................................................37
有意为之的非线性
DAC ..............................................................47
评估高速
DAC
性½
......................................................................51
过采样插值
DAC............................................................................67
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DAC基本架构I：DAC串和温度计（完全解码）DAC
½者：Walt
Kester
简介
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MT-014
指南
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½今所用的DAC基本架
构，这样将更有利于应用，而且½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½非常棘手。
本指南讨论最基本的DAC架构：“串”DAC和“温度计”DAC。串DAC的起源与开尔文爵士有
关，他于19世纪中叶发明了开尔文分压器。串DAC在½今颇受欢迎，特别是在典型分辨率
为6到8½的数字电½计等应用中。温度计DAC则相对独立于代码相关的开关毛刺，因而是
½失真分段DAC和流水线式ADC的常用构建模块。
开关：简单的1½DAC
把一个½换开关(单刀双掷SPDT开关)看½1½DAC是合理的，如图1所示，该开关在基准电
压与地之间或相等的正负基准电压之间切换输出。这种简单的器件是许多复杂DAC结构的
组成元件，在过采样应用中，它用½我们后面将会讨论到的许多Σ- 型DAC的基本模拟元
件。简单的开关也很容易利用标准CMOS工艺实现。不过，它实在是过于简单，不需要进
行详细讨论，考虑更为复杂的结构将更有意义。
V
REF
OUTPUT
图1：1½DAC：½换开关(单刀双掷SPDT)
开尔文分压器(串DAC)
除了上述½换开关之外，最简单的DAC结构就是图2所示的开尔文分压器或串DAC。这种
DAC的N½版本由2
N
个等值串联电阻和2
N
个开关(通常为CMOS)组成，该信号链的每个节点
Rev.A, 10/08, WK
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数据，将2 个开关解码为1涉及到略微复杂的数字技术，½数字电路很便宜)。这种DAC的
与输出端之间½有一个开关。输出通过闭合其中的一个开关而从适½的½头获得(对于N½
N
起源可以½溯到开尔文爵士于19世纪中叶的发明，它首先是用电阻和继电器实现，继而在
1920年代用真空管实现(参见参考文献1、2、3)。
VREF
R
R
R
R
R
R
R
R
CIRCA 1920
SWITCHES WERE
RELAYS OR VACUUM TUBES
3-TO-8
DECODER
8
TO
SWITCHES
3-BIT
DIGITAL
INPUT
ANALOG
OUTPUT
图2：最简单的电压输出温度计DAC：
开尔文分压器(“串DAC”)
这种架构非常简单，具有一个电压输出(½输出阻抗与代码相关)，本身具单调性，即½电
阻意外短路，输出n也不会大于输出n
+ 1。如果所有电阻的阻值相等，则它是线性的，½
如果需要非线性DAC，也可以故意把它设计成非线性的。在一次跃迁期间仅有两个开关工
½，因此它是一种½毛刺架构。此外，开关毛刺与代码无关，因而它非常适合½失真应
用。无论代码如½跃迁，毛刺½是相对恒定的，因此毛刺的频率成分½于DAC更新速率及
其谐波处，而不是½于DAC基波输出频率的谐波处。串DAC的主要缺点是需要大量电阻
和开关才½实现高分辨率，因此它不是常用的简单DAC架构，直到最近极小尺寸IC特性问
世，才½得½中分辨率的DAC切实可行。如今，该架构已广泛用于简单DAC中，如数字
电½计等。在后文中我们将会看到，其电流输出版本——温度计DAC也用½更复杂的高分
辨率分段DAC结构中的元件。
对于全1代码，DAC的输出比基准电压½1
LSB，因此打算用½通用DAC的串DAC在基准电
压引脚与第一个开关之间有一个电阻，如图2所示。
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在理想电½计中则不然，对于全0和全1代码，应将可变½头连接到电阻串的一端或另一
端。因此，½然数字电½计与通用串DAC基本相同，½前者少一个电阻，并且电阻串的任
½一端½没有其它内部连接。图3所示为一个简单的数字电½计。
TERMINAL A
R
R
R
R
R
R
R
TERMINAL B
3-TO-8
DECODER
8
TO
SWITCHES
3-BIT
DIGITAL
INPUT
TAP
图3：对一个串DAC稍½更改便获得一个“数字电½计”
最简单的数字电½计并不比这个结构复杂太多，电½计的任½一个引脚½不可½处于5V
或3V逻辑电源以外的电½。½有些电½计具有更复杂的解码器、电平½换器和额外的高
压电源引脚，½然逻辑控制电平很½(3
V或5 V)，½电½计引脚具有大得多的电压范围，
某些情况下可½高达±15
V。数字电½计常常内½非易失性逻辑，½它关断时，其设½得
以保存。
显而易见，串DAC具有大量电阻(正如前面所说的，N½DAC有2
N
个电阻)。调整串DAC中
的每个电阻以获得最½DNL和INL是不现实的，一部分原因是电阻数量太多，还有一部分
原因是电阻太小而难以校准，主要原因则是这样做成本太高。由于物理尺寸的限制，纯串
DAC的分辨率一般以8到10½为限。
电流输出温度计(完全解码)DAC
有一种电流输出DAC与串DAC相似，它由2
N
–1可开关的电流源(可以是电阻和基准电压
源，或者是有源电流源)组成，这些电流源连接到一个输出引脚，该输出引脚必须处于或
接近地电½。通常把这种架构称为“温度计”或“完全解码”DAC。图4显示了这样一个温度
计DAC，它通过连接到基准电压的电阻来产生电流。
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