DAC的主要功能是完成从数字信号到模拟信号的转变,所涉及的整个转换网络是影响DAC性能的关键。
1.奈奎斯特DAC
奈奎斯特DAC主要分为电阻型DAC.电容型DAC和电流型DAC。电阻型DAC主要包括电限分压型和R-2R权重型两种形式。电容型DAC由一个二进制的电容网络和一个电压放大器构成。转换网络使用电容器,因此没有静态电流,所以功耗较低。此外在CMOS工艺中,电容比电阻可以达到更高的匹配精度,因此电容型DAC的分辨率可以得到进一步提高。 但由于其求和节点处的电容较大,导致时间常数较大,电容型DAC不适合于高速应用。
以上所述的电阻型DAC及电容型DAC由于不能直接驱动外部负载,需要通过缓冲器或转换电路得到最终的电压或电流输出信号,所以这些DAC会受到级冲器的带宽限制,无法达到很高的转换速率。对于较为高速的应用场合,如无线通信中,电流型DAC是比较合适的选择。电流型DAC是直接通过与电流源的节点相连实现电流的加和功能,进而将加和后的电流直接与负载电阻相连,产生所需要的输出电压,不需要额外的缓冲器驱动;另外,由于是电流直接驱动负载形成输出电压,因而可以达到很高的工作速度。电流型DAC主要分为二进制权重结构DAC、温度计译码结构DAC和分段式译码结构DAC这3种。
二进制权重结构DAC的每个开关控制的电流源的权重以二倍的关系递增,通过对应的输入的二进制的数字码控制对应的电流源的通断。这种结构的电流权重的增加以单位电流源为基本单位复制产生,而输入信号直接作用于电流源开关,不需要额外的复杂的电路译码,大大地减小了芯片面积和功耗。
二进制权重结构DAC的分辨率增加使得电流源权重呈指数增大,一方面由于电流源匹配误差导致较大的微分非线性( DNL),影响其静态特性;另一方面控制信号在高速切换时引入较大的毛刺,影响其动态性能。
温度计译码结构DAC的电流源阵列由一系列的权重相等的电流组成。这种开关方式有效地避免了开关在转换的时候引入较大的毛刺对动态性能的影响。但随着DAC的分辨率位数的增加,开关的数量呈指数增长,这会使温度计译码电路部分的复杂度急剧地增加,导致较大的面积和功耗。
综合二进制权重结构DAC和温度计译码结构DAC的优缺点,分段式译码结构DAC是对性能和电路复杂度的折中。这种DAC分为两部分: MSB部分和LSB部分。设N为DAC位数,M位的MSB部分被译成温度计码,剩下的N-M位的LSB部分仍然采用二进制编码。这种DAC包括一个可以将M位二进制信号转换成2"-1个温度计码信号的译码器。高位电流源由温度计译码结构实现,单位电流值为1。0低位电流源用二进制权重结构实现,单位电流值为1。这种DAC能够在实现良好的静态性能和动态性能的同时得到面积和电路复杂度均最优的折中,因此大多数高精度或高速电流型DAC为分段式译码结构DAC。
2.过采样DAC
过采样DAC作为有别于奈奎斯特DAC的另一种类型的DAC经常见于高精度的应用(如音频信号处理)中。过采样DAC采用与ADC中类似思路的过采样技术与噪声整形技术,可以实现较高的分辨率。与过采样ADC不同的是,对于过采样ADC,过采样处理是在模拟域进行的,同时连续时间的输入在某处被转换为采样数据的形式;对于过采样DAC,过采样处理在数字域进行,从而产生数字形式的结果,然后再由一个位数低一些的 DAC和重建滤波器转换为连续时间的模拟信号。
