解析电阻串DAC架构原理

电阻串 DAC 有时被称为 Kelvin 分压器或 Kelvin-Varley 分压器（以其发明者命名），是用于 DAC 设计最直接的方法之一。最简单的电阻串 DAC 只是一系列相同尺寸的电阻器和每个电阻器之间的接点。适当的接点可根据应用于 DAC 的数字代码切换至输出缓冲器。这种有限开关活动可产生极低的干扰能量。在理想情况下，每个电阻器都会针对等于 1 LSB 的参考电压产生压降。下图是该架构的简单说明。

随着电阻串 DAC 中分辨率的提高，设计所需的电阻器数量也在呈指数级增长。一个 n 位电阻串 DAC 需要 2n 个电阻器，因此高分辨率电阻串 DAC 通常需要大型 IC 封装。这就意味着 16 位 DAC 需要 65,536 个电阻器，18 位需要 262,144 个，而 20 位则需要 1,048,576 个电阻器！级联分段技术有时可用来减少所需的电阻器数量，但对于我们的用途而言，我们将不考虑分段技术，因为即使实施了分段，架构趋势在应用层面也更倾向于实用。

每个电阻器值的精确度可直接决定线性度。如果电阻串中任何一个电阻器的值不合适，我们就会在代码转换时发现相对于该电阻器的不良微分非线性度 (DNL)。此外，所有后续代码的积分非线性度 (INL) 也会因为不匹配而产生失调。由于典型电阻串 DAC 设计中的电阻器数量庞大，我们不可能对每个电阻器都进行调整，因此只能接受一定程度上的 DNL 误差。然而，仍然必须维持良好的 INL 性能，因此可经常对各组电阻器实施区域化调整，以避免调整每个电阻器，其在以下 INL 图中呈“阶梯”状。

电阻串 DAC 的一个额外优势是：从参考输入看，除了在瞬间代码转换阶段外，输入阻抗都可保持恒定。其它数据转换器架构（尤其是 SAR ADC）具有动态加载条件，需要一个参考缓冲器，而电阻串 DAC 就没这个必要。然而一般来说，应该对任何参考进行缓冲，尤其是在输入／输出随高频率变化时。还需要重点关注的是参考等效输入阻抗通常都非常高，可使大多数电阻串 DAC 具有极高的电源效率。

电阻串 DAC 设计最终、最微妙的元件是位于串电阻器及接点之前的分压器。该电阻器电阻等于串中其余电阻器的等效阻抗，能有效将参考输入减半。这样做的目的是降低输出缓冲器的共模输入要求，并在实现良好性能的同时帮助保持低成本。为了对此进行补偿，输出缓冲器一般采取 2 倍的非反相增益，尽管有时反馈电阻器通过数字控制实现不同增益。

电阻串 DAC 需要记住的几个特性：

• 简化设计，实现低成本；

• 低干扰能量；

• 固有的单调性；

• 低功耗。

电阻串 DAC 通常可在便携式电池供电应用中找到用武之地，充分发挥其低功耗优势。此外，电阻串 DAC 还适用于可充分利用其固有单调特性的闭环控制系统等应用，以及各种低成本应用，在该应用中 DAC 只为系统提供一些校准特性，而不会像我们在其它 DAC 应用中可能看到的那样，担任“主角”。