數模轉換器的應用

數模轉換器（DAC）用途極為廣泛，遍布各類電子設備與系統，在數字信號與模擬信號的交互 “橋梁” 上扮演關鍵角色。

音頻處理領域

音樂播放：在日常使用的智能手機、平板電腦、MP3 播放器等設備中，存儲的音頻文件均為數字格式，像 MP3、FLAC。DAC 負責把這些數字音頻信號轉變成連續變化的模擬音頻信號，隨后輸送至耳機、揚聲器，讓用戶能沉浸式聆聽音樂。高端音頻設備配備高分辨率、高精度 DAC，能更細膩還原聲音細節，帶來頂級聽覺盛宴。

專業音頻制作：錄音室里，數字音頻工作站存儲海量數字音頻素材，從歌手錄制的人聲，到樂器彈奏的音軌，均需經 DAC 轉化成模擬信號，才可以接入調音臺、功放等模擬設備，展開混音、音效處理，最終塑造出品質卓越的音樂作品。

視頻顯示領域

電視與顯示器：數字視頻源，例如網絡視頻流、藍光碟片中的視頻內容，先以數字形式編碼存儲。當播放時，借助 DAC 把數字視頻信號轉變為模擬視頻信號，輸入到傳統的陰極射線管（CRT）電視、部分采用模擬接口的液晶顯示器中，呈現絢麗畫面。即便新型高清數字電視，在處理一些模擬視頻輸入時，也需反向用 DAC 還原。

DAC的工作原理

最簡單的電阻串聯DAC

優點：簡單，單調性好，版圖面積小，

缺點：精準度差，最多到8位，不適合高分辨率高速設計

使用巨霖PowerExpert搭建的八位電阻串DAC結構示例如下：

通過合適的時序設計，可以得到以下波形：

電阻串式DAC最大的優點就是自帶的單調性， 但缺點也很明顯，n位電阻串式DAC需要2^n個電阻，當DAC位數大于8時，大量的電阻會帶來非常大的封裝面積和功耗，以及高昂的成本，難以應用到實際生產中，所以我們需要更節省封裝面積和功耗的設計，換句話說，就是電阻數量更少的設計，即接下來要介紹的R2R架構。

從巨霖PowerExpert中搭建的電路圖可以明顯看出，此結構需要電阻數量更少，它的原理是，通過阻值為“2R”的電阻并聯來傳遞輸入電壓，再利用阻值為“R”的電阻串聯的關系來“分配”輸入參考電壓Vref的值，故此架構取名為“R2R”

通過合適的時序設計，可以輸出以下波形：

上述R2R結構設計看似滿足了面積功耗等需求，但在實際生產中，并不存在阻值如此完美的電阻，受PVT的影響，電阻阻值浮動有可能達到10%以上，因此上述DAC是無法實際應用在高精度或高分辨率的電路中的。所以接下來介紹下一種對PVT相對不敏感的結構——CDAC（電容數模轉換器）。

相較于R String DAC，CDAC還有著電容匹配性更好，速度更快的優點，一個3位全差分CDAC結構如下：

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開始，每次采樣都經過與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。具體電路實現如上圖，利用電荷守恒定律，經歷以下幾個比較階段：

采樣階段，與Vip和Vin相連的開關閉合，進行采樣，比較器輸入兩端電荷量分別為：

第一次比較，與Vip和Vin相連的開關斷開，進行Vn(1)=Vin與Vp(1)=Vip的數值比較,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，根據比較結果得到輸出的“3bit精度”的模擬量。

上述開關切換策略被稱為“單調開關切換策略”，優點是功耗低，電路簡單，缺點是隨著比較階段的進行，輸入共模電壓會持續下降。除此之外常用的開關切換策略還有：傳統開關切換策略、Sanyal開關切換策略、Vcm-Base的開關切換策略。

VcmBased開關切換策略

VcmBased開關切換策略，相較于單調開關切換策略，CDAC的電路結構相同，區別是電容的下極板全部接到共模電壓Vcm，在調節過程中，下極板電壓從Vcm變為0或VDD，此結構的優點是可以在比較過程中保證共模電壓不變，缺點是需要精確的基準源提供Vcm共模電壓；并且在Vcm附近的mos管導通電阻最大，為了降低開關電阻需要增加mos管的尺寸，導致驅動這些開關需要更大的功耗。因此這種結構除了基本只在對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，采樣時刻，Clks=0，電容下極板連接至Vcm，此時：

Q為采樣階段電容陣列存儲的總電荷量，N為電容總數量。

Clk=0，Clks=1，進入轉換階段， 轉換階段的目的是依次改變電容陣列中每一個電容下級板的狀態，連接到VSS還是Vref取決于開關sp3tswitch的位置，sp3switch由Clk信號控制，Clk信號取決于上一次比較的結果，由SAR邏輯控制，Clk=0時下級板接Vref（接Vref即對Vin減掉Vref），Clk=1時下級板接VSS（接VSS即減0）。在完成以上開關切換操作后，電容陣列的總電荷表達式為：

根據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，進行比較后比較器輸出Vc+和Vc-給SAR邏輯控制電路，返回時鐘信號Clki進入開關供下一次比較，比較結果保存在存儲器中。

待最低分辨率的一位比較完畢后，輸出模擬量的比較結果。

除了單調，VcmBased切換策略以外，還有傳統、Sanyal開關切換策略，各有優略，篇幅問題不再贅述。

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