關(guān)于數(shù)模轉(zhuǎn)換器選擇的問題研究

高雨竹

摘要：伴隨半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)模轉(zhuǎn)換器被運(yùn)用于多個(gè)行業(yè)，比如無線通信、音頻信號(hào)處理等。過去數(shù)模轉(zhuǎn)換器一般被應(yīng)用于時(shí)域領(lǐng)域，使用范圍受到一定約束，現(xiàn)如今，已發(fā)展成為數(shù)字世界的接口，其重要性不言而喻。該文對數(shù)模轉(zhuǎn)換器選擇的問題展開研究，并對其進(jìn)行全面分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)模轉(zhuǎn)換器;選擇;問題;研究

當(dāng)前階段，數(shù)字調(diào)制技術(shù)已取得顯著成效，尤其是數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其作為一種將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的器件，已得到廣泛運(yùn)用。在頻域方面，數(shù)模轉(zhuǎn)換器主要被當(dāng)作發(fā)送機(jī)的基帶，在臨近信道其輸出的信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)諧波，而且還能消除數(shù)模接口電路對系統(tǒng)性能帶來的影響。

1.D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)

在信號(hào)處理過程中，DAC作為核心模塊，占不可或缺的重要地位。無論何種數(shù)字信號(hào)都應(yīng)借助DAC，主要是為將上述信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的性能約束了系統(tǒng)的精度，所以一般依照采樣頻率與信號(hào)頻率比，并將其劃分為以下兩類，分別為過采樣型、奈奎斯特率型[1]。上述類型都適宜信號(hào)寬帶的范疇，只不過轉(zhuǎn)換精度不同。

關(guān)于奈奎斯特型DAC，各輸出值都有與之相對應(yīng)的數(shù)字。實(shí)際上，該種DAC幾乎很少在奈奎斯特頻率四周運(yùn)行。究其根源，有以下方面的原因：第一，一旦采樣頻率靠近奈奎斯特頻率，DAC的動(dòng)態(tài)性能便會(huì)受到影響，呈快速下降趨勢;第二，假如在奈奎斯特頻率四周工作，過濾帶會(huì)便窄，其設(shè)計(jì)就會(huì)成為影響電路。一般來說，奈奎斯特DAC的采樣頻率為輸入信號(hào)頻率的18倍。對于過采樣型DAC而言，當(dāng)前，該種轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度最高。其主要借助過采樣率與量化噪聲整形來滿足高信噪比的實(shí)際要求[2]。但因運(yùn)用過采樣率，故只能加快速度。由此可見，過采樣型DAC適宜視頻和音頻等信號(hào)的處理。

1.1D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)

因DAC的核心為轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，其性能將影響轉(zhuǎn)換器的精度，因而，需要合理區(qū)分各種轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這對提高DAC的高精度具有現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)然，完成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換主要有以下幾種方法，比如電流型、電荷分配型以及電壓型。

（1）電阻分壓型。電阻分壓型DAC的基本工作原理：將相同電阻串聯(lián)，為獲取全部模擬電壓，并將數(shù)字信號(hào)借助控制開關(guān)網(wǎng)絡(luò)選取相對應(yīng)的電壓值。對照電壓Vref將2N個(gè)相似電阻進(jìn)行分壓，通常在一組二進(jìn)制信號(hào)中選取一個(gè)電壓值，然后運(yùn)用緩沖器驅(qū)動(dòng)負(fù)載電阻。該種結(jié)構(gòu)具備一定單調(diào)性。伴隨輸入信號(hào)位數(shù)的上升，MOS開關(guān)與電阻個(gè)數(shù)指數(shù)顯著上調(diào)[3]。當(dāng)然，器件數(shù)量增加明顯，加上設(shè)置較多開關(guān)，此時(shí)，寄生電阻與寄生電容上調(diào)，致使RC被延遲，轉(zhuǎn)換速度下降。

（2）R-2R二進(jìn)制電壓權(quán)重型。上述結(jié)構(gòu)主要將電壓疊加構(gòu)成輸出電壓，而且無論哪個(gè)節(jié)點(diǎn)向左看的阻值均為2R。和電阻分壓型比較而言，其數(shù)字輸入碼不需要譯碼，結(jié)構(gòu)單一。依照戴維南等效原理得出總輸出電壓：VOUT=2VREF/2N（2N-1DN-1+2N-2DN-2+……2D1+D0），因全部電路中只存在兩種電阻值，并使用兩組進(jìn)行串聯(lián)，如此一來，便能將誤差控制在較小范圍內(nèi)，進(jìn)而提高匹配度[4]。

1.2電荷分配型D/A轉(zhuǎn)換器

在圖1中，Q1與Q2作為非重疊時(shí)鐘，輸入信號(hào)主要控制開關(guān)B。當(dāng)Q1處于高電平時(shí)，輸入電容會(huì)在B的控制中提前充電，并及時(shí)反饋給電容2NC，為實(shí)現(xiàn)預(yù)放電。此時(shí)，C2不會(huì)發(fā)生任何改變。可若是Q2處于高電平時(shí)，應(yīng)將輸入電荷重新分配，以此來獲取輸入二進(jìn)制碼，即輸出電壓。

該種轉(zhuǎn)換會(huì)將電阻網(wǎng)絡(luò)更改為電容網(wǎng)絡(luò)，但因轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)無靜態(tài)電流，加之消耗較少。設(shè)計(jì)時(shí)，為獲得整倍電容應(yīng)并聯(lián)電容，并將其匹配好。在CMOS中，其電容精度高于電阻，故能實(shí)現(xiàn)較高層次的精度。只不過，性能電容容易受到匹配度的約束，所以，大電容應(yīng)由小電容并聯(lián)組成，而且還會(huì)伴隨電路面積發(fā)生變化，進(jìn)而約束了DAC的精度，通常只允許超過10位[5]。與此同時(shí)，電荷型數(shù)模轉(zhuǎn)換器對寄生電容非常敏感，需非重疊時(shí)鐘，因而加大了設(shè)計(jì)難度。

1.3電流型D/A轉(zhuǎn)換器

該種轉(zhuǎn)換器主要有以下兩種類型，分別為R-2R二進(jìn)制電流權(quán)重型、電流驅(qū)動(dòng)型。關(guān)于二進(jìn)制電流權(quán)重型，其結(jié)構(gòu)和電壓式R-2R權(quán)重型存在較大差距，前者主要為權(quán)電流疊加，然后借助電流-電壓獲取輸出結(jié)果。但因向左看的阻值為2R，故當(dāng)電流垂直流向左邊時(shí)，不論經(jīng)哪一個(gè)電阻，電流都會(huì)受到影響。因而，可以得出電壓的表達(dá)式：VOUT=-RFIOUT=-RFVREF/2N-1（DN-1+2N-2DN-2+……2D1+D0）。該種DAC的變化范圍不大，但運(yùn)行速度快，甚至還會(huì)出現(xiàn)非單調(diào)性。

對于電流驅(qū)動(dòng)型D/A轉(zhuǎn)換器來說，其作為DAC最為常見的結(jié)構(gòu)之一（如圖2所示）。輸入數(shù)字信號(hào)Xi=（b1，b2，b3，……bn），主要控制電流源的開關(guān)，在此期間，電流會(huì)借助開關(guān)切換至電阻，完成累加。但因該種結(jié)構(gòu)不需使用緩沖器便能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，所以，可以快速創(chuàng)建，大多被運(yùn)用于高速D/A轉(zhuǎn)換電路中。

因上述轉(zhuǎn)換器主要輸出電流，且全部功耗都運(yùn)用于該方面，導(dǎo)致能源消耗較大。另外，電流驅(qū)動(dòng)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對緊湊，芯片占用面積小，進(jìn)而很少受到梯度誤差的約束。當(dāng)前，該種轉(zhuǎn)換器已發(fā)展成為首選結(jié)構(gòu)。

2.結(jié)語

綜上所述，全文簡單分析了DAC的工作原理，并對各種類型DAC的優(yōu)缺點(diǎn)與適用范圍進(jìn)行研究，以此來提高DAC的精度和性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]?黃碩. 高速高精度電流舵數(shù)模轉(zhuǎn)換器研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海交通大學(xué)，2016.

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[3]?劉國家. 高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].浙江大學(xué)，2012.

[4]?付麗曼. 嵌入式12位300MHz數(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].江南大學(xué)，2010.

[5]?王橋. 應(yīng)用于寬帶通信系統(tǒng)的高速低功耗數(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)[D].清華大學(xué)，2017.

（作者單位：成都信息工程大學(xué)）