二进制加权DAC原理与挑战

"ADI-MT-015应用技术文章详细阐述了二进制DAC的基本架构，包括电压模式和电流模式的实现方式，并讨论了其实现中的挑战与限制。" 二进制数字到模拟转换器（DAC）是电子设计中不可或缺的部分，特别是在高分辨率和高速系统中。本文档主要关注二进制加权电阻DAC，这是一种历史悠久且广泛应用的架构。二进制DAC的核心概念是每一位对应一个权重，这些权重以二进制的形式表示，即2的幂次。 **电压模式二进制加权电阻DAC**是基础教育中常见的例子，如图1所示。该架构由一组加权电阻和开关组成，其中最高有效位（MSB）控制最大的电阻，最低有效位（LSB）控制最小的电阻。然而，这种架构的一个显著缺点是它不具备单调性，即不同的数字输入可能导致相同的输出电压，这对于DAC来说是不可接受的。此外，由于输出是通过电阻网络生成的，输出阻抗会随着输入代码的变化而变化，这在某些应用场景中可能是个问题。 **电流模式二进制DAC**，如图2A和2B所示，提供了另一种实现方式。在这个设计中，每个位都控制一个比例为2的幂次的电流源，而不是电阻。这种架构的优点在于，电流源可以更方便地实现电流匹配和温度稳定性，这对于高分辨率至关重要。尽管原理相对简单，但在集成电路（IC）中实现这样的设计却极具挑战性，尤其是在高分辨率时，因为需要保持大电流比的精确匹配。例如，对于8位DAC，最小电流与最大电流的比例可能是128:1，这对温度系数的匹配提出了严格要求。 在实际应用中，由于MSB电流值的微小误差可能导致整体输出的非单调性，纯二进制加权架构通常不直接用于完整的DAC IC设计。不过，这种架构的简化版本（通常3到4位）可以作为更复杂设计的组成部分，如并行或串行调整的DAC。 总结来说，二进制加权DAC架构虽然简单，但面临制造和集成上的挑战，尤其是在高分辨率和温度稳定性方面。因此，在设计高性能的DAC时，工程师通常会选择其他更先进的架构，如R-2R梯形网络或电流模数转换等，来克服这些局限性。