R/2R阶梯数模转换器,R/2R阶梯数模转换器原理

R/2R阶梯数模转换器,R/2R阶梯数模转换器原理

DAC的发展经历了从电子管、晶体管到集成电路的发展过程，早期的DAC采用电子管组装而成。进入五十年代中期，晶体管的出现并成熟应用，使得DAC进入晶体管时代。从六十年 代中期开始，构成DAC和ADC的主要功能单元电路——如运算放大器、基准电压源、电压比较器、电阻网络、模拟电子开关和逻辑控制电路等，己陆续实现集成化，特别是集成化运算放大器已开始进入大规模工业生产阶段。在此基础上人们逐摒弃了完全由分立元、器件组装DAC和ADC的传统方法，开始选用那些现成的具有某种单一功能的集成电路——如集成化运算放大器、逻辑集成电路、集成电压比较器或集成基准电压源等集成电路单元，并外加一些必要的元、器件，来组装DAC和ADC。这种结构形式的数据转换器，与完全由分立元、器件组装的转换器相比在一定程度上简化了组装结构。无论 是 完 全由分立元、器件组装的数据转换器，还是由集成电路单元附加许多分立元、器件组装的数据转换器，都被称为组件型转换器。其中，前者被称为第一代组件型数据转换器，而后者被称为第二代组件型数据转换器。显然，第二代组件型数据转换器是全集成化数据转换器的先声。在第 二 代 组件型数据转换器发展的同时，出现了混合集成电路型转换器(也叫混合型转换器)。与其他许多混合型模拟集成电路一样，混合型集成转换器是把分立的晶体管(或者单片集成的具有基本功能的单元电路，或者单片集成的低位转换器)粘贴在绝缘衬底上，再通过薄膜或者厚膜技术，在同一绝缘衬底上制作电阻、电容和金属互连线，从而构成具有完整功能的转换器。常见的混合型集成转换器都是采用薄膜技术构成的。 1971年诞生了第一块全集成DAC，它的出现标志着数据转换器真正达到了工业化大批量生产的阶段，摆脱了精心挑选转换器中元、器件的麻烦，从而大大降低了成本，提高了可靠性。此后，数据转换器得到迅速发展。新的设计思想、新的制作工艺和新的种类不断增加，性能不断提高。工艺上，不但双极型器件的工艺进一步得到改进，使双极型转换器内部的逻辑电路可采用高速的ECL电路或者高集成度的I2L电路，而且增加了MOS工艺，特别是CMOS工艺，使得DAC的集成度和功耗都有很大的改进。

基本原理：

下图5是R/2R梯形电阻网络DAC结构原理框图。

从图中n-n’端口向右看入的电阻值是R，从2-2’、1-1’端口向右看入的总电阻值也是R，但是从a-a端口处向右看入的总阻值是2R。同理，从每个2R电阻向右看入的电阻值均是2R。因此，电流每流经一个2R支路就被衰减一半。所以从左到右，各2R电阻中的电流比例关系为：1: 2-1:2-2:…:2-n+1。也就是说，流经各2R电阻中的电流是二进制的权电流。

当输入数字信号为0时，开关K接到1的位置，当输入数字信号为1时，开关K接到2的位置，这样就实现了按照数字输入而变化的权电流加权，实现了数字一模拟的转换。n位权电流发生电路需要n+l个值为2R的电阻和n个值为R的电阻。随着分辨率的提高，电阻的个数增加，但电阻始终是R和2R两种，而且2R电阻可以设计成为两个R电阻的串联。因此R/2R梯形电阻网络数模转换器克服了权电阻网络中电阻值种类繁多的缺点。无论从改善电阻的匹配精度和减小总值的角度说，R/2R梯形电阻网络都更为有利。集成的并行位电流控制的数模转换器中，多采用R/2R梯形电阻网络。

但是R/2R梯形电阻网络DAC结构本身也存在不足，梯形电阻网络相当于传输线，从模拟开关到梯形电阻网络建立稳定的输出要一定的传输时间，转换器的位数越多，所需要的传输时间就越长，因此在位数较多时将直接影响DAC的转换速度。另外，当输入数字信号有n位同时发生变化时，由于各级信号传输到输出端的时间不同，因而在输出端可能产生瞬时尖峰。