设计指南Q&A系列：数模转换器

一、数模转换器的作用

真实世界的模拟信号，例如温度、压力、声音或者图像等，被不断转换成更容易储存、处理和发射的数字形式。但是在很多系统中，数字信息也必须重新转换成模拟信号来实现一些真实世界的功能。数模转换器(DAC)就可以做到这一点，而且它们的输出还可以用来驱动各种设备，例如扩音器、发动机、射频发射器和温度控制器等。  

DAC一般被放置在数字系统中。在数字系统中，一些真实世界的信号通过模数转换器(ADC)数字化和处理过后，然后需要重新转化成模拟信号的系统中。这些系统所要求的DAC性能会受到系统其它组件的性能和要求的影响。  

二、基本原理  

DAC会产生一个量化(离散阶段)模拟输出来响应一个二进制数字输入编码。这个数字输入可能是TTL、 ECL、CMOS或者LVDS,而模拟输出则是一个电压或电流输出。  

为产生输出，一个参考量(电压或电流量)被分成二进制段或者线性段。接着，数字输入会驱动开关，这个开关将一定数量的段连到输出上。段的数量反映出可能的数字输入编码的数量，这是转换器分辨率的一个功能，或者还可以反映输入编码中的位数(N)。有N个位数，可能的编码数为2N个。   


DAC输出的振幅可以以下方式表示：  

模拟输出=数字输入编码/(2N-1)×参考输入模拟信号是具有无穷分辨率的连续性时域信号。但是，DAC的输出是一个构建于离散值(量化)的信号，这个离散值的产生也有一个统一但无穷的时间间隔(取样)。也就是说，DAC输出试图展示的是一个具备无穷分辨率和带宽的模拟信号。  

量化和取样对DAC的性能又一个基本的但可以预料到的限制。量化决定了转换器的最大动态范围，并产生量化误差和噪音。而按照Nyquist标准，取样则决定着DAC输出信号的最大带宽。  

在一个最理想的DAC中，模拟信号正好就是一个最低有效位(LSB)部分，而一个LSB是一个分成2N段的满量程模拟输出振幅，这里的N是以位数形式表示的DAC分辨率。   


但是，DAC在真实世界中的操作也会受到一些非理想效果的影响，而无法达到那些由量化和取样规定的理想效果。这些误差以一些交流和直流性能规范为特点，正是这些规范决定着转换器的静态和动态性能。  

1 偏移误差  

偏移误差就是DAC的输出和当增益误差为零时理想的传递函数的输出之间的偏差。对于所有输入编码，偏移误差都是常数。  

2 增益误差  

增益误差就是转换器的传递函数的斜率与理想的传递函数之间的偏差，通过补偿到零的偏移误差来计量。   


3 微分非线性度(DNL)  

微分非线性度是指一个实际的步尺寸和一个理想的LSB步之间的偏差。DNL误差会产生超过量化效果范围之外的额外噪音和毛刺。  

4 积分非线性度(INL)  

积分非线性度是实际输出电压和理想输出电压在传递函数各端点之间的直线上的误差。INL是在偏移误差和增益误差消除之后才计算出来的。INL误差会导致额外的谐波和毛刺。  

5 单调性  

如果一个DAC的输出随着数字输入编码的增大而增大或者保持不变，那么这个DAC就具有单调性。反之，如果一个DAC的输出随着数字编码的增大而减小，那么这个DAC就具有非单调性。


6 建立时间  

建立时间是指模拟输出响应数字输入上的一个步骤变更而在限定的误差范围内确定一个数值的时间。   


7 假信号  

假信号是指当转换器输入和输出改变状态时，从输入加到输出上的负荷量。  

8 数字馈通  

数字馈通是指当DAC没有启动时，高频逻辑信号穿透到转换器的输出而产生的输出噪音。


噪音有多个特征参数，如寄生自由动态量程(SFDR)，总谐波失真(THD)和信噪比(SNR)。另一个参数THD+N则是总谐波失真加噪音与基本振幅的比。  

下面几张图给出了DAC的几种架构。