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電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性

發(fā)布時(shí)間:2023-10-25 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】首先,我們將簡要回顧一下開爾文分壓器DAC。這種結(jié)構(gòu)很簡單,但它們需要大量的電阻和開關(guān)來實(shí)現(xiàn)高分辨率DAC。這個(gè)問題的一個(gè)解決方案是稱為R-2R DAC的DAC結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)巧妙地利用梯形網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)電阻較少的DAC。


本文將探討電壓模式R-2R DAC結(jié)構(gòu)。

在本文中,我們將探索什么是R-2R DAC以及如何實(shí)現(xiàn)它們。

首先,我們將簡要回顧一下開爾文分壓器DAC。這種結(jié)構(gòu)很簡單,但它們需要大量的電阻和開關(guān)來實(shí)現(xiàn)高分辨率DAC。這個(gè)問題的一個(gè)解決方案是稱為R-2R DAC的DAC結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)巧妙地利用梯形網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)電阻較少的DAC。

什么是數(shù)字轉(zhuǎn)換器?

數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)接收以數(shù)字代碼表示的數(shù)據(jù),并產(chǎn)生等效模擬輸出(見下面的圖1)。值得一提的是,除了數(shù)字輸入外,DAC還需要模擬基準(zhǔn)電壓或電流才能工作。該基準(zhǔn)電壓源可在DAC芯片內(nèi)部產(chǎn)生,也可在外部提供。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖1. 圖片由 ADI公司.


上述理想傳遞函數(shù)對應(yīng)于一個(gè)三位單極性DAC。請注意,DAC輸入和輸出都是量化值,傳遞函數(shù)實(shí)際上由八個(gè)點(diǎn)組成(而不是穿過這八個(gè)點(diǎn)的線)。此外,模擬輸出(輸入代碼全為1的輸出)比滿量程(FS)值低。

串式DAC(開爾文分頻器)簡介:2的問題n 電阻

產(chǎn)生圖1傳遞函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)如下圖2所示。這種結(jié)構(gòu)稱為串式DAC或開爾文分壓器,使用八個(gè)相等的電阻串聯(lián)來產(chǎn)生三位DAC的八個(gè)不同電壓電平。例如,要產(chǎn)生等于 V 的模擬輸出裁判/4,我們只需要轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)SW4 上。

輸出緩沖器用于防止電阻串受到DAC輸出節(jié)點(diǎn)V的任何負(fù)載效應(yīng)代數(shù)轉(zhuǎn)換器.


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖2


開爾文分頻器的一個(gè)主要缺點(diǎn)是n位DAC需要2n 電阻器和開關(guān)。這就是為什么使用這種方法來構(gòu)建高分辨率DAC并不容易的原因(盡管可以將開爾文分頻器與其他技術(shù)結(jié)合使用來構(gòu)建更復(fù)雜的DAC)。

然而,有一種有趣的方法,它使用梯形網(wǎng)絡(luò)來顯著減少電阻器的數(shù)量。這些結(jié)構(gòu)稱為R-2R DAC,將在下一節(jié)中討論。

分析 R-2R DAC 電路

基本的四位R-2R電壓模式DAC如圖3所示。數(shù)字代碼應(yīng)應(yīng)用于輸入 D3...D0,其中 D3 是有效位 (MSb),D0 是有效位 (LSb)。請參考Robert Keim之前的文章以了解更多信息 /有效位/字節(jié)和字節(jié)序.

如您所見,梯形圖中有兩種不同的電阻值(R 和 2R)。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖3


R-2R DAC 電阻器

一些觀察可以使電路的分析更簡單:

在每個(gè)R電阻的左側(cè),我們總是會(huì)看到R的等效電阻。如圖 4 中的藍(lán)色箭頭所示。

考慮到前面的觀察結(jié)果,我們知道從R電阻的右側(cè)端子看,我們總是會(huì)看到一個(gè)2R的等效電阻(圖4中的紅色箭頭)。

請注意,為了計(jì)算等效電阻,施加到 D3...D0 的電壓源對地短路。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖 4


電路操作

現(xiàn)在讓我們檢查電路操作。假設(shè) D0 連接到 V REF并且其他位為邏輯低電平;我們得到圖5中的電路。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖 5


應(yīng)用戴維寧定理,我們可以對虛線左側(cè)的電路建模,如圖 6 所示。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖 6


戴維南等效電壓為VREF除以2,戴維南等效電阻等于R。

現(xiàn)在,我們使用這個(gè)等效電路,得到圖 7 中的電路。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖 7


使用戴維南方程簡化 R-2R DAC 電路

如果我們考慮圖7中虛線左側(cè)的電路,我們會(huì)觀察到重復(fù)的模式。有兩個(gè)2R電阻和一個(gè)電壓源。這部分電路的戴維寧等效值如圖8所示。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖8


因此,V裁判 再次降低兩倍,等效電阻仍為R。如果我們將此模型連接到電路的其余部分,則先前的模式將再次出現(xiàn)。如圖 9 所示。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖9


考慮到我們之前的簡化,我們可以很容易地在虛線左側(cè)找到電路的戴維寧等效物。戴維寧電壓將為V裁判/8,戴維寧電阻將為2R。插入戴維寧等價(jià)物,我們得到圖 10。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖10


考慮到 虛擬地面 在運(yùn)算放大器的反相輸入端,我們可以看到?jīng)]有電流流過電阻,導(dǎo)致D3輸入接地,因此電流(V裁判/8)/2R 將流過反饋電阻 (RF).假設(shè) RF=2R,輸出電壓將為 VDAC = -2R ? (V裁判/8)/2R = -V裁判/8.該輸出電壓對應(yīng)于DAC LSB。

現(xiàn)在,讓我們檢查其他數(shù)字輸入組合。假設(shè) D1 連接到 V裁判 其他位邏輯低電平??紤]到我們的個(gè)觀察結(jié)果,我們可以對電路進(jìn)行建模,如圖11所示。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖11


應(yīng)用戴維寧定理,我們得到以下原理圖。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖12


這與圖 9 相同,只是輸入為 V裁判/2 而不是 V裁判/4.考慮D的結(jié)果3D2D1D0 = 0001,如果 RF = 2R 我們得到 V代數(shù)轉(zhuǎn)換器 = -V裁判/4.

如果 D2 連接到 V裁判 其他三位邏輯低電平,我們得到圖13中的模型。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖13


應(yīng)用戴維寧定理,我們得到圖14中的電路。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖14


考慮到運(yùn)算放大器反相輸入端的虛地,電流 (V REF /2)/2R 應(yīng)該流過反饋電阻。因此,我們有:V DAC = -V REF /2。

為了檢查 MSB,我們假設(shè) D3 連接到 V REF(邏輯高電平),其他三位接地(邏輯低電平)。在這種情況下,我們獲得圖 15 中的模型。


電壓模式R-2R DAC的工作原理和特性
圖 15


因此,輸出電壓將為 V DAC = -(V REF /2R)?2R = -V REF。

總而言之,連接輸入 D3, D2, D1和 D0 到 V裁判 可分別產(chǎn)生-V的電壓步長裁判, -V裁判/2, -V裁判/4 和 -V裁判/8.這些電壓階躍是執(zhí)行數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)所需的基準(zhǔn)電壓的二進(jìn)制加權(quán)分?jǐn)?shù)。由于電路是線性的,輸入的組合將產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓階躍的相同組合。例如,如果 D0 和 D1 連接到 V裁判 和 D2 和 D3 邏輯低電平,輸出將為-V裁判/8 -V裁判/4 = -3V裁判/8.注意反饋電阻,RF,直接影響DAC的增益。

電壓模式R-2R DAC的一些重要特性

R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)中的電阻連接永遠(yuǎn)不會(huì)被開關(guān)斷開(如開爾文分壓器)。該設(shè)計(jì)使得無論對DAC施加何種數(shù)字代碼,運(yùn)算放大器的反相端始終具有恒定的等效電阻。換句話說,梯形網(wǎng)絡(luò)的輸出阻抗是恒定的。這使得放大器或單位增益緩沖器的穩(wěn)定更加容易。

但是,基準(zhǔn)電壓源觀察到梯形圖網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載阻抗變化。因此,參考發(fā)生器應(yīng)該能夠產(chǎn)生適用于寬負(fù)載電阻范圍的電壓。

如果與理想元件值的偏差相對較大,則R-2R DAC的輸入至輸出響應(yīng)可以是非單調(diào)的。單調(diào)DAC響應(yīng)要么完全不增加,要么完全不減少。例如,開爾文分頻器的輸入-輸出特性是單調(diào)的。如果我們增加輸入數(shù)字代碼,輸出模擬電壓將增加或(在壞的情況下)保持其值;它不會(huì)減少。因此,組件不匹配不會(huì)導(dǎo)致非單調(diào)響應(yīng)。

R-2R DAC的情況并非如此。采用圖4的結(jié)構(gòu),模擬輸出應(yīng)隨著輸入代碼的增加而減小。但是,假設(shè)由于電阻值不匹配,對應(yīng)于MSB的輸出電壓階躍為-3?V裁判/4而不是理想值 -V裁判.如果輸入代碼從 0111 更改為 1000,則輸出將從 -V裁判/2 - V裁判/4 - V裁判/8 = -7?V裁判/8 至 -3?V裁判/4.

因此,如果我們有不匹配,輸入代碼的增加會(huì)導(dǎo)致模擬輸出電壓的增加,因此輸入到輸出的響應(yīng)可以是非單調(diào)的!請注意,某些應(yīng)用需要在閉環(huán)系統(tǒng)中使用DAC。在這些情況下,非單調(diào)DAC響應(yīng)可能會(huì)改變 負(fù)面反饋 到積極的反饋。這就是為什么單調(diào)性可能很重要,具體取決于應(yīng)用。

 

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