R/2R階梯數模轉換器,R/2R階梯數模轉換器原理

DAC的發展經歷了從電子管、晶體管到集成電路的發展過程，早期的DAC采用電子管組裝而成。進入五十年代中期，晶體管的出現并成熟應用，使得DAC進入晶體管時代。從六十年 代中期開始，構成DAC和ADC的主要功能單元電路——如運算放大器、基準電壓源、電壓比較器、電阻網絡、模擬電子開關和邏輯控制電路等，己陸續實現集成化，特別是集成化運算放大器已開始進入大規模工業生產階段。在此基礎上人們逐摒棄了完全由分立元、器件組裝DAC和ADC的傳統方法，開始選用那些現成的具有某種單一功能的集成電路——如集成化運算放大器、邏輯集成電路、集成電壓比較器或集成基準電壓源等集成電路單元，并外加一些必要的元、器件，來組裝DAC和ADC。這種結構形式的數據轉換器，與完全由分立元、器件組裝的轉換器相比在一定程度上簡化了組裝結構。無論 是 完 全由分立元、器件組裝的數據轉換器，還是由集成電路單元附加許多分立元、器件組裝的數據轉換器，都被稱為組件型轉換器。其中，前者被稱為第一代組件型數據轉換器，而后者被稱為第二代組件型數據轉換器。顯然，第二代組件型數據轉換器是全集成化數據轉換器的先聲。在第 二 代 組件型數據轉換器發展的同時，出現了混合集成電路型轉換器(也叫混合型轉換器)。與其他許多混合型模擬集成電路一樣，混合型集成轉換器是把分立的晶體管(或者單片集成的具有基本功能的單元電路，或者單片集成的低位轉換器)粘貼在絕緣襯底上，再通過薄膜或者厚膜技術，在同一絕緣襯底上制作電阻、電容和金屬互連線，從而構成具有完整功能的轉換器。常見的混合型集成轉換器都是采用薄膜技術構成的。 1971年誕生了第一塊全集成DAC，它的出現標志著數據轉換器真正達到了工業化大批量生產的階段，擺脫了精心挑選轉換器中元、器件的麻煩，從而大大降低了成本，提高了可靠性。此后，數據轉換器得到迅速發展。新的設計思想、新的制作工藝和新的種類不斷增加，性能不斷提高。工藝上，不但雙極型器件的工藝進一步得到改進，使雙極型轉換器內部的邏輯電路可采用高速的ECL電路或者高集成度的I2L電路，而且增加了MOS工藝，特別是CMOS工藝，使得DAC的集成度和功耗都有很大的改進。

基本原理：

下圖5是R/2R梯形電阻網絡DAC結構原理框圖。

從圖中n-n’端口向右看入的電阻值是R，從2-2’、1-1’端口向右看入的總電阻值也是R，但是從a-a端口處向右看入的總阻值是2R。同理，從每個2R電阻向右看入的電阻值均是2R。因此，電流每流經一個2R支路就被衰減一半。所以從左到右，各2R電阻中的電流比例關系為：1: 2-1:2-2:…:2-n+1。也就是說，流經各2R電阻中的電流是二進制的權電流。

當輸入數字信號為0時，開關K接到1的位置，當輸入數字信號為1時，開關K接到2的位置，這樣就實現了按照數字輸入而變化的權電流加權，實現了數字一模擬的轉換。n位權電流發生電路需要n+l個值為2R的電阻和n個值為R的電阻。隨著分辨率的提高，電阻的個數增加，但電阻始終是R和2R兩種，而且2R電阻可以設計成為兩個R電阻的串聯。因此R/2R梯形電阻網絡數模轉換器克服了權電阻網絡中電阻值種類繁多的缺點。無論從改善電阻的匹配精度和減小總值的角度說，R/2R梯形電阻網絡都更為有利。集成的并行位電流控制的數模轉換器中，多采用R/2R梯形電阻網絡。

但是R/2R梯形電阻網絡DAC結構本身也存在不足，梯形電阻網絡相當于傳輸線，從模擬開關到梯形電阻網絡建立穩定的輸出要一定的傳輸時間，轉換器的位數越多，所需要的傳輸時間就越長，因此在位數較多時將直接影響DAC的轉換速度。另外，當輸入數字信號有n位同時發生變化時，由于各級信號傳輸到輸出端的時間不同，因而在輸出端可能產生瞬時尖峰。