數(shù)模轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）用途極為廣泛，遍布各類電子設(shè)備與系統(tǒng)，在數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的交互 “橋梁” 上扮演關(guān)鍵角色。

音頻處理領(lǐng)域

音樂(lè)播放：在日常使用的智能手機(jī)、平板電腦、MP3 播放器等設(shè)備中，存儲(chǔ)的音頻文件均為數(shù)字格式，像 MP3、FLAC。DAC 負(fù)責(zé)把這些數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成連續(xù)變化的模擬音頻信號(hào)，隨后輸送至耳機(jī)、揚(yáng)聲器，讓用戶能沉浸式聆聽(tīng)音樂(lè)。高端音頻設(shè)備配備高分辨率、高精度 DAC，能更細(xì)膩還原聲音細(xì)節(jié)，帶來(lái)頂級(jí)聽(tīng)覺(jué)盛宴。

專業(yè)音頻制作：錄音室里，數(shù)字音頻工作站存儲(chǔ)海量數(shù)字音頻素材，從歌手錄制的人聲，到樂(lè)器彈奏的音軌，均需經(jīng) DAC 轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，才可以接入調(diào)音臺(tái)、功放等模擬設(shè)備，展開(kāi)混音、音效處理，最終塑造出品質(zhì)卓越的音樂(lè)作品。

視頻顯示領(lǐng)域

電視與顯示器：數(shù)字視頻源，例如網(wǎng)絡(luò)視頻流、藍(lán)光碟片中的視頻內(nèi)容，先以數(shù)字形式編碼存儲(chǔ)。當(dāng)播放時(shí)，借助 DAC 把數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M視頻信號(hào)，輸入到傳統(tǒng)的陰極射線管（CRT）電視、部分采用模擬接口的液晶顯示器中，呈現(xiàn)絢麗畫(huà)面。即便新型高清數(shù)字電視，在處理一些模擬視頻輸入時(shí)，也需反向用 DAC 還原。

DAC的工作原理

最簡(jiǎn)單的電阻串聯(lián)DAC

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，單調(diào)性好，版圖面積小，

缺點(diǎn)：精準(zhǔn)度差，最多到8位，不適合高分辨率高速設(shè)計(jì)

使用巨霖PowerExpert搭建的八位電阻串DAC結(jié)構(gòu)示例如下：

通過(guò)合適的時(shí)序設(shè)計(jì)，可以得到以下波形：

電阻串式DAC最大的優(yōu)點(diǎn)就是自帶的單調(diào)性， 但缺點(diǎn)也很明顯，n位電阻串式DAC需要2^n個(gè)電阻，當(dāng)DAC位數(shù)大于8時(shí)，大量的電阻會(huì)帶來(lái)非常大的封裝面積和功耗，以及高昂的成本，難以應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，所以我們需要更節(jié)省封裝面積和功耗的設(shè)計(jì)，換句話說(shuō)，就是電阻數(shù)量更少的設(shè)計(jì)，即接下來(lái)要介紹的R2R架構(gòu)。

從巨霖PowerExpert中搭建的電路圖可以明顯看出，此結(jié)構(gòu)需要電阻數(shù)量更少，它的原理是，通過(guò)阻值為“2R”的電阻并聯(lián)來(lái)傳遞輸入電壓，再利用阻值為“R”的電阻串聯(lián)的關(guān)系來(lái)“分配”輸入?yún)⒖茧妷?a target="_blank">Vref的值，故此架構(gòu)取名為“R2R”

通過(guò)合適的時(shí)序設(shè)計(jì)，可以輸出以下波形：

上述R2R結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)看似滿足了面積功耗等需求，但在實(shí)際生產(chǎn)中，并不存在阻值如此完美的電阻，受PVT的影響，電阻阻值浮動(dòng)有可能達(dá)到10%以上，因此上述DAC是無(wú)法實(shí)際應(yīng)用在高精度或高分辨率的電路中的。所以接下來(lái)介紹下一種對(duì)PVT相對(duì)不敏感的結(jié)構(gòu)——CDAC（電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器）。

相較于R String DAC，CDAC還有著電容匹配性更好，速度更快的優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)3位全差分CDAC結(jié)構(gòu)如下：

CDAC的工作原理基于二分搜索法與電荷守恒定律，二分搜索法即從Vref/2開(kāi)始，每次采樣都經(jīng)過(guò)與VREF/2，VREF/2±VREF/4，VREF/2±VREF/4±VREF/8...依次比較，直至LSB，然后輸出模擬量。具體電路實(shí)現(xiàn)如上圖，利用電荷守恒定律，經(jīng)歷以下幾個(gè)比較階段：

采樣階段，與Vip和Vin相連的開(kāi)關(guān)閉合，進(jìn)行采樣，比較器輸入兩端電荷量分別為：

第一次比較，與Vip和Vin相連的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，進(jìn)行Vn(1)=Vin與Vp(1)=Vip的數(shù)值比較,如果Vp(1)>Vn(1)，Bit1記為1，電容C_1的下極板改為接地，

由于電荷守恒，采樣階段的與第一次比較階段的相等，由此得出Vp(2)=Vip-Vref/2，電容C_2極板電壓不變，Vn（2）=Vn（1）=Vin。如果Vp(1)

第二、三次比較，與第一次比較原理相同，只不過(guò)由于電容大小減半，V(3)的變化量變成了Vref/4。比較完成后，根據(jù)比較結(jié)果得到輸出的“3bit精度”的模擬量。

上述開(kāi)關(guān)切換策略被稱為“單調(diào)開(kāi)關(guān)切換策略”，優(yōu)點(diǎn)是功耗低，電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是隨著比較階段的進(jìn)行，輸入共模電壓會(huì)持續(xù)下降。除此之外常用的開(kāi)關(guān)切換策略還有：傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)切換策略、Sanyal開(kāi)關(guān)切換策略、Vcm-Base的開(kāi)關(guān)切換策略。

VcmBased開(kāi)關(guān)切換策略

VcmBased開(kāi)關(guān)切換策略，相較于單調(diào)開(kāi)關(guān)切換策略，CDAC的電路結(jié)構(gòu)相同，區(qū)別是電容的下極板全部接到共模電壓Vcm，在調(diào)節(jié)過(guò)程中，下極板電壓從Vcm變?yōu)?或VDD，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以在比較過(guò)程中保證共模電壓不變，缺點(diǎn)是需要精確的基準(zhǔn)源提供Vcm共模電壓；并且在Vcm附近的mos管導(dǎo)通電阻最大，為了降低開(kāi)關(guān)電阻需要增加mos管的尺寸，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)這些開(kāi)關(guān)需要更大的功耗。因此這種結(jié)構(gòu)除了基本只在對(duì)于共模電壓范圍有高要求的情況下使用，具體原理如下：Clks=1，采樣時(shí)刻，Clks=0，電容下極板連接至Vcm，此時(shí)：

Q為采樣階段電容陣列存儲(chǔ)的總電荷量，N為電容總數(shù)量。

Clk=0，Clks=1，進(jìn)入轉(zhuǎn)換階段， 轉(zhuǎn)換階段的目的是依次改變電容陣列中每一個(gè)電容下級(jí)板的狀態(tài)，連接到VSS還是Vref取決于開(kāi)關(guān)sp3tswitch的位置，sp3switch由Clk信號(hào)控制，Clk信號(hào)取決于上一次比較的結(jié)果，由SAR邏輯控制，Clk=0時(shí)下級(jí)板接Vref（接Vref即對(duì)Vin減掉Vref），Clk=1時(shí)下級(jí)板接VSS（接VSS即減0）。在完成以上開(kāi)關(guān)切換操作后，電容陣列的總電荷表達(dá)式為：

根據(jù)電荷守恒定律可以求出在SAR邏輯陣列控制下的每一次比較器的DAC輸出為：

由上式可以得出比較器兩端輸入的值，進(jìn)行比較后比較器輸出Vc+和Vc-給SAR邏輯控制電路，返回時(shí)鐘信號(hào)Clki進(jìn)入開(kāi)關(guān)供下一次比較，比較結(jié)果保存在存儲(chǔ)器中。

待最低分辨率的一位比較完畢后，輸出模擬量的比較結(jié)果。

除了單調(diào)，VcmBased切換策略以外，還有傳統(tǒng)、Sanyal開(kāi)關(guān)切換策略，各有優(yōu)略，篇幅問(wèn)題不再贅述。

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