datasheet

了解R2R和电阻串DAC架构之间的差异

2008-06-25来源: 电子系统设计 关键字:架构  DAC  负电压  线性度  工程类院校  并联电阻  串行传输  时钟周期  电压输出

  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。

  由于特定的电阻串架构,电阻串 DAC 具有低成本和保证单调性能的优点。值得一提的另外一个很重要的优点是可以实现小型封装的低功耗和小裸片面积,从而使他们非常适合便携式应用。其另外一个优点是输出缓冲器已经包括在该架构之中,从而无需使用更多的板上外部组件。

  其次,该输出缓冲器还实现了内部电阻和模拟电路与外界的隔离,这在低阻抗电路中非常有用。许多应用都要求低突波能量,这也是电阻串架构的另外一个优点。

  另一方面,由于电阻串设计的更高阻抗,所以其噪声通常会高于 R2R 架构的噪声。设计人员还应该清楚地知道有限的精度(亦称为积分非线性(INL))。较早的设计通常在中-60 最低位(LSB)提供 INL 数字,而较新型的一些设计则利用改进的工艺技术,现在可以在 4LSB 区域提供典型的 INL 数字。对于诸如马达控制或过程控制的许多闭环应用而言,一个典型的 4 LSB INL 就已经足够了。然而,对于其他应用而言(如:自动测试设备),这还远远不够,那些应用通常需要1 LSB INL。因此,就有了另外一种不同的架构:R2R 架构。

  R2R 架构主要是由形成一个电阻梯形的并联电阻组成。图4 显示了一种可能的 R2R 梯形,这是一款乘法 DAC(MDAC),其 R2R 梯形的顶部与外部参考电压相连。该架构可以输出一个相当于数字输入代码的电流。

  

  图4 主要的电流输出 R2R 架构

  在硅片中实施一个 R2R 梯形的另一种方法如图5 所示。

  

  图5 主要的电压输出 R2R 架构

  其外部参考电压没有和 R2R梯形直接连接。根据不同的数字输入代码,开关将通过 R2R 网络把参考电压或接地电平连接至输出缓冲器,该输出缓冲器将所生成的电压信号转换成输出电压。

  图5 所示的架构只允许从 0V 到应用外部参考电压的单极输出电压(请注意,DAC 的电源电压必须等于或高于参考电压)。通过将接地电平连接至一个额外的外部负参考电压可以对后来提及的架构进行修改,而通过修改该架构则可以实现双极运行。

  图6 显示了修改后的架构。

  

  图6 主要的双极 R2R 架构

  此种类型的架构还可用于选择灵活的参考电压。虽然 VREFL 可以为负电压,但不需要让其为负电压。但是,VREFL 必须要低于 VREFH。详尽的描述与参数请参见现有的产品说明书,如:DAC7714(见参考书目1)。

  R2R DAC 具有低噪声和高精度的优点,其可能会提供 ±1 LSB INL 的卓越精度和DNL 性能。而且,该架构可实现高电压输出,MDAC 拥有较快的建立时间(小于 0.3 μsec),以及大于 10 MHz 的乘法带宽。一般而言,其他 R2R 拓扑结构仅拥有中等的建立时间性能。

  对于更宽泛的应用范围(如数控校验或工业可编程逻辑控制(PLC))而言,MDAC 为设计人员在选择使用外部输出缓冲器方面的灵活性使该架构类型更为有用。设计人员可以为特定的应用挑选最佳的运算放大器。另一方面,对于板上器件数量不断增加的低阻抗连接而言,需要一个外部缓冲器。其次,与 R2R 架构相比,突波能量当然更适合电阻串架构,因此,对于波形生成和其他突波能量敏感型应用而言,很少采用 R2R DAC。

  结论

  我们不但要考虑诸如增益误差或偏移误差等其他电气规范,而且还要考虑随着温度变化而发生的漂移或满量程误差等重要的参数,这些参数通常与具体的架构无关。为了有一个良好的开端,设计人员应首先查看基本要求并问问自己对最低精度和线性度有何要求。如果是在闭环应用中,那么一款较低成本且线性较差的电阻串 DAC 就足够了;而如果是在开环应用中,则 R2R 架构在提供更佳的线性度和更高的精度方面就显得更加出色。

  参考文献

  [1] TI 《DAC7741 产品说明书》,网址:www.ti.com/sc/device/dac7714

  [2] TI 《放大器和数据转换器选择指南》(修订版 B),网址:focus.ti.com/lit/ml/slyb115b/slyb115b.pdf

  [3] TI 《数模转换器产品规划》,网址:www.ti.com/dataconverters

关键字:架构  DAC  负电压  线性度  工程类院校  并联电阻  串行传输  时钟周期  电压输出

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2008/0625/article_53.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:24位高性能模数转换器ADS1274/ADS1278及其应用
下一篇:18位高精密△-∑A/D转换器MCP3421及其应用

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

Intel服务器路线图爆出,新架构ICE LAKE令人期待

先进的制造工艺曾经是Intel最强有力的武器,结果到了14nm上出现严重不顺,10nm更是前所未有地难产,不得不一再延长14nm工艺的寿命。按照Intel此前的官方说法,10nm工艺大规模量产已经推迟到2019年,但上半年还是下半年不确定,而根据各方面的消息,很可能等到2019年底,服务器平台更是得到2020年。  这是Intel此前公布的服务器演进路线图,今年底推出Cascade Lake,还是14nm,优化架构提升频率,支持傲腾内存条,并从硬件层面修复幽灵和熔断安全漏洞。 明年是Cooper Lake,依然14nm,支持Bfloat16指令,优化AI、深度学习等,其他无大变化。 
发表于 2018-09-29
Intel服务器路线图爆出,新架构ICE LAKE令人期待

Arm欲用全新芯片架构Cortex-A76AE夺回车载系统市场的主权

自动驾驶汽车和未来的信息娱乐系统将需要更智能,更安全的芯片,而ARM正在通过新的芯片组和安全平台来说明为什么它应该成为联网汽车的核心。该公司透露了新的ARM Cortex-A76AE以及ARM Safety Ready计划,该计划承诺将帮助汽车制造商,ADAS开发商和一级汽车供应商更快地将他们的车辆和部件推向市场,同时确保车辆在道路上自动驾驶的安全性。当然,这不是ARM首次涉足汽车行业。该公司的芯片设计已经在运行信息娱乐系统,高级驾驶员辅助等等。实际上,已经用于运行ADAS技术的芯片当中65%是基于ARM的设计。ARM表示,汽车正在成为最复杂的电子产品,从动力总成到发动机车身控制器,轮胎压力监控器和汽车座椅控制器。所有这些都是在基于
发表于 2018-09-28
Arm欲用全新芯片架构Cortex-A76AE夺回车载系统市场的主权

英特尔前总裁自立门户,推出ARM架构数据中心芯片

众所周知,服务器芯片一直被Intel垄断,不过近年来,AMD在这一领域开始崛起,逐渐蚕食Intel的市场,Intel对手可不止这一家,这不,Intel前总裁创立的公司也推出了服务器芯片,不过和Intel 至强处理器不同,该公司推出的是arm架构的数据中心芯片。不过,如果这家公司发展壮大,对Intel的影响还是不容忽视的。据国外媒体报道,英特尔前总裁蕾妮·詹姆斯(Renee James)领导的初创公司Ampere Computing周二表示,该公司推出了其首批数据中心芯片,采用了ARM构架。该公司表示,这些售价在550美元至850美元之间的新芯片,已经被联想集团和其他几家制造服务器的公司所选用。英特尔在服务器芯片市场占据主导地位
发表于 2018-09-20

现在是发展新的计算机架构和软件语言的黄金时代

照片来源:UC Berkeley加州大学教授、Google工程师和RISC先驱David Patterson说,现在是做一名计算机架构师的最好时机。这是因为摩尔定律时代已经结束了,他说:“如果摩尔定律仍然有效,我们现在就不会比我们应该达到的水平落后15倍。我们处在后摩尔定律时代。”Patterson对参加上周在圣何塞举行的2018年@Scale会议的工程师们说,“我们已经习以为常的性能扩展速度现在已经难以为继。过去,性能每隔18个月翻一番,在性能每次翻番时,人们就会扔掉那些还运行良好的台式计算机,因为某个朋友的新电脑要快得多。”但在去年,他说,“单个项目的性能只提升了3%,所以要每20年才会翻一番。如果你只是坐在那里等待芯片变得
发表于 2018-09-19
现在是发展新的计算机架构和软件语言的黄金时代

英特尔发布全新AI架构Nervana,是啥东西?

英特尔在深度学习领域的推进催生了各种新型架构,还包括tile、先进封装和更加定制化的解决方案。近日,英特尔人工智能产品事业部副总裁Gadi Singer接受了媒体访谈,谈论了英特尔在深度学习领域的长期愿景,以及为什么公司看好x86之外的架构和单芯片解决方案。记者:处理器方面有什么变化?Singer:最大的变化是增加了深度学习和神经网络。过去几年,人工智能带来了快速且深刻的变化,我们也正在试图评估它们的潜力,以及能用它做些什么。但是,与此同时,您还需要退后一步,思考如何与其它互补性的功能相适应。处理器的变化是英特尔整体转型大略的一部分。 英特尔人工智能产品事业部副总裁Gadi Singer记者:真正人工智能的标志是可以用
发表于 2018-09-13
英特尔发布全新AI架构Nervana,是啥东西?

STM32F0开发笔记4: STM32CubeF0固件架构

    本文介绍STM32CubeF0固件架构。    STM32CubeF0固件架构图如下图所示。      1、Board Support Package (BSP)     This layer offers a set of APIs relative to the hardware components in the hardware boards(such as LCD, Audio, microSD and MEMS drivers). It is composed of two
发表于 2018-09-12
STM32F0开发笔记4: STM32CubeF0固件架构

小广播

TI 模拟器件推荐
  • 1
  • 2
  • 3

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2018 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved