关于数模转换器选择的问题研究

高雨竹

摘要：伴随半导体技术的迅速发展，数模转换器被运用于多个行业，比如无线通信、音频信号处理等。过去数模转换器一般被应用于时域领域，使用范围受到一定约束，现如今，已发展成为数字世界的接口，其重要性不言而喻。该文对数模转换器选择的问题展开研究，并对其进行全面分析。

关键词：数模转换器;选择;问题;研究

当前阶段，数字调制技术已取得显著成效，尤其是数模转换器，其作为一种将数字信号转换为模拟信号的器件，已得到广泛运用。在频域方面，数模转换器主要被当作发送机的基带，在临近信道其输出的信号不会出现谐波，而且还能消除数模接口电路对系统性能带来的影响。

1.D/A转换器结构和性能参数

在信号处理过程中，DAC作为核心模块，占不可或缺的重要地位。无论何种数字信号都应借助DAC，主要是为将上述信号转换成模拟信号。由于数模转换器的性能约束了系统的精度，所以一般依照采样频率与信号频率比，并将其划分为以下两类，分别为过采样型、奈奎斯特率型[1]。上述类型都适宜信号宽带的范畴，只不过转换精度不同。

关于奈奎斯特型DAC，各输出值都有与之相对应的数字。实际上，该种DAC几乎很少在奈奎斯特频率四周运行。究其根源，有以下方面的原因：第一，一旦采样频率靠近奈奎斯特频率，DAC的动态性能便会受到影响，呈快速下降趋势;第二，假如在奈奎斯特频率四周工作，过滤带会便窄，其设计就会成为影响电路。一般来说，奈奎斯特DAC的采样频率为输入信号频率的18倍。对于过采样型DAC而言，当前，该种转换器的转换精度最高。其主要借助过采样率与量化噪声整形来满足高信噪比的实际要求[2]。但因运用过采样率，故只能加快速度。由此可见，过采样型DAC适宜视频和音频等信号的处理。

1.1D/A转换器的转换网络

因DAC的核心为转换网络，其性能将影响转换器的精度，因而，需要合理区分各种转换网络的优点和缺点，这对提高DAC的高精度具有现实意义。当然，完成D/A转换器转换主要有以下几种方法，比如电流型、电荷分配型以及电压型。

（1）电阻分压型。电阻分压型DAC的基本工作原理：将相同电阻串联，为获取全部模拟电压，并将数字信号借助控制开关网络选取相对应的电压值。对照电压Vref将2N个相似电阻进行分压，通常在一组二进制信号中选取一个电压值，然后运用缓冲器驱动负载电阻。该种结构具备一定单调性。伴随输入信号位数的上升，MOS开关与电阻个数指数显著上调[3]。当然，器件数量增加明显，加上设置较多开关，此时，寄生电阻与寄生电容上调，致使RC被延迟，转换速度下降。

（2）R-2R二进制电压权重型。上述结构主要将电压叠加构成输出电压，而且无论哪个节点向左看的阻值均为2R。和电阻分压型比较而言，其数字输入码不需要译码，结构单一。依照戴维南等效原理得出总输出电压：VOUT=2VREF/2N（2N-1DN-1+2N-2DN-2+……2D1+D0），因全部电路中只存在两种电阻值，并使用两组进行串联，如此一来，便能将误差控制在较小范围内，进而提高匹配度[4]。

1.2电荷分配型D/A转换器

在图1中，Q1与Q2作为非重叠时钟，输入信号主要控制开关B。当Q1处于高电平时，输入电容会在B的控制中提前充电，并及时反馈给电容2NC，为实现预放电。此时，C2不会发生任何改变。可若是Q2处于高电平时，应将输入电荷重新分配，以此来获取输入二进制码，即输出电压。

该种转换会将电阻网络更改为电容网络，但因转换网络无静态电流，加之消耗较少。设计时，为获得整倍电容应并联电容，并将其匹配好。在CMOS中，其电容精度高于电阻，故能实现较高层次的精度。只不过，性能电容容易受到匹配度的约束，所以，大电容应由小电容并联组成，而且还会伴随电路面积发生变化，进而约束了DAC的精度，通常只允许超过10位[5]。与此同时，电荷型数模转换器对寄生电容非常敏感，需非重叠时钟，因而加大了设计难度。

1.3电流型D/A转换器

该种转换器主要有以下两种类型，分别为R-2R二进制电流权重型、电流驱动型。关于二进制电流权重型，其结构和电压式R-2R权重型存在较大差距，前者主要为权电流叠加，然后借助电流-电压获取输出结果。但因向左看的阻值为2R，故当电流垂直流向左边时，不论经哪一个电阻，电流都会受到影响。因而，可以得出电压的表达式：VOUT=-RFIOUT=-RFVREF/2N-1（DN-1+2N-2DN-2+……2D1+D0）。该种DAC的变化范围不大，但运行速度快，甚至还会出现非单调性。

对于电流驱动型D/A转换器来说，其作为DAC最为常见的结构之一（如图2所示）。输入数字信号Xi=（b1，b2，b3，……bn），主要控制电流源的开关，在此期间，电流会借助开关切换至电阻，完成累加。但因该种结构不需使用缓冲器便能驱动负载，所以，可以快速创建，大多被运用于高速D/A转换电路中。

因上述转换器主要输出电流，且全部功耗都运用于该方面，导致能源消耗较大。另外，电流驱动型数模转换器的内部结构相对紧凑，芯片占用面积小，进而很少受到梯度误差的约束。当前，该种转换器已发展成为首选结构。

2.结语

综上所述，全文简单分析了DAC的工作原理，并对各种类型DAC的优缺点与适用范围进行研究，以此来提高DAC的精度和性能。

参考文献：

[1] 黄硕. 高速高精度电流舵数模转换器研究与实现[D].上海交通大學，2016.

[2] 李洋. 16位sigma-delta数模转换器中模拟DAC及滤波器设计[D].哈尔滨工业大学，2014.

[3] 刘国家. 高速高精度数模转换器的设计与实现[D].浙江大学，2012.

[4] 付丽曼. 嵌入式12位300MHz数模转换器设计技术研究[D].江南大学，2010.

[5] 王桥. 应用于宽带通信系统的高速低功耗数模转换器设计[D].清华大学，2017.

（作者单位：成都信息工程大学）