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无所不在的数字与模拟信号！
我们在工学院上受过扎实的课程，学习模拟数字转换器 (ADC)、运算放大器 (Op Amp)、数字模拟转换器 (DAC) 等电子架构，或许对这些电路的基本功能已有认识，不过我们大多熟悉ADC的运作方式，对相反架构的DAC及其真正功能，就不是那么了解了。直到现在，对多数人而言，DAC就是个黑盒子，输入数字数据后，即输出代表该数据的模拟信号，只有少数人了解架构中的差异，以及电阻串行与 R2R 电阻阶梯彼此的优劣情形。如果设计者能了解其中的差异，以及一般用DAC的运作方式，就能为应用装置选择最合适的DAC。
本文将说明DAC的基本运作，并解答各位一直想了解的问题。
一般对DAC的主要印象就是一个黑盒子，输入数字数据后，会输出代表的模拟信号；其实还有更多细节值得探究。数字数据可为序列或串行数据格式，例如 SPI 或 I2C 这样的串行接口，利用序列方式传送数字数据流，就像进入“黑盒子”的项链或炼条；串行接口则是将所有必要位，加载于单一频率周期进入装置。在装置的另一侧，模拟输出信号可能是电压或电流。请参阅图 1。
不同的输入接口在数据格式、速度、接脚、芯片面积、装置尺寸以及应用弹性上，都有所不同。不过无论是序列或串行接口，都能将数字数据输入设备中。
一旦数字数据进入黑盒子（第一个区块图），数字缓存器就会负责某些操作，像是序列至串行的转换，或是在多信道装置中储存数据，直到数据转移至个别的DAC缓存器为止。DAC缓存器是输入缓存器与DAC架构间的桥梁，作用就像是内存，可储存数字数据。
在DAC设计初期，DAC缓存器就是外部记忆区段，负责保留数字数据。如果没有DAC缓存器，只要模拟电路系统的实时供电造成外部输入总线改变，DAC的输出就会立即变化。数据会停留在DAC缓存器中，直到用户决定以新程序代码进行更新为止。基本上，DAC缓存器的作用就像是正反器。
架构
在目前精准的DAC中，主要使用两种架构： R2R 与电阻串行，两种架构都使用部份数字逻辑的模拟电路。采用基本的 R2R 架构，即可产生电流或电压输出；电阻串行架构则只能使用输出缓冲器产生电压输出，在图2 中显示为输出电路盒。在电流输出情况下，并未使用输出缓冲器。
电阻串行架构
电阻串行架构顾名思义，就是以串联方式连接许多电阻建置电阻串行。理论上需要 256 个电阻，才能做出一个 8 位的DAC (28 = 256)（请见图 3）。
如果要增加分辨率，就代表需要更多电阻来制作一个电阻串行DAC。如果是 16 位的DAC，总共需要 65,536 个电阻，才能产生所有可能的电压／数字步骤。不过在设计的真实世界中，不可能在单一芯片上使用近 66,000 个电阻，尤其考虑到目前对小封装、低功率损耗以及低成本的种种需求。因此设计师另外利用较小型的电路系统，像是可以减少电阻数量与电阻串行上接点的内插式放大器，设计出节能效果更好、所占空间更小的装置。内插式放大器的作用为输出缓冲器。在目前某些电阻串行架构中，具有供放大器外部回馈回路使用的接脚。
图3中显示的电阻串行架构，包含了产生电压输出的内部输出缓冲器；电压输出相当于数字输入码。
电阻串行DAC的优势，在于低成本及绝对单调的特性，原因是采用了特定的电阻串行架构。此外，还有低功耗以及芯片面积小等重要特性，如此即可采用小型封装，适用于便携式应用装置中。另一项优势是其中已包含了输出缓冲器，不需要在电路板上额外使用外部组件。其次，输出缓冲器将内部电阻及模拟电路系统与外界隔绝，这对低阻抗的电路系统相当有帮助。许多应用装置需要低干扰能量，也成为电阻串行架构的另一项优势。
另一方面，由于电阻串行设计上的阻抗较高，因此其噪声通常高于 R2R 架构。设计者也要注意精确度有限的问题，又称为积分非线性误差 (INL)。早期的设计，INL 数值大约在 65 最低有效位 (LSB) 左右；较新的设计因为使用改良制成技术，目前提供的 INL 数值一般在 4 LSB 左右。对许多封闭回路的应用方式而言，例如马达控制与过程控制，一般在 4LSB 的 INL 数值已十分足够。不过在自动化测试设备等其他应用面，这样的数值还不够好；这些应用装置需要 1LSB 的 INL，因此需要使用不同的架构：R2R。
R2R 架构
R2R 架构主要包含以串行方式排列成电阻阶梯的电阻。图4为一种可能的 R2R 电阻阶梯，R2R 电阻阶梯的顶端在乘法式数字模拟转换器 (MDAC) 连接至外部参考电压，这种架构所输出的电流相当于数字输入码。
另一种在硅芯片中使用 R2R 电阻阶梯的方式如图 5 所示。外部参考电压并未直接连接至 R2R 电阻阶梯，开关会依据数字输入码，连接至参考电压或接地位准，并经由 R2R 网络前往输出缓冲器；输出缓冲器可将产生的电压信号转换为输出电压。
图5所示的架构，只能让单极输出电压由零V 变化至使用的外部参考电压（请注意，DAC的供应电压必须等于或高／大于参考电压）。藉由修改第二种架构，将接地位准连接至其他的外部负参考电压，即可完成双极操作。图6为修改后的架构，这种架构也可用于选择具有弹性的参考电压。VREFL 不一定都是负电压，不过 VREFL 一定要小于 VREFH。详细说明与数值可参考目前的产品说明书，例如 DAC7714 [1]。
R2R DAC的优势在于低噪声与高精确度，有可能达到 ±1 LSB INL 与 DNL（微分非线性误差）的一流精确度。此外，这类架构还能产生高电压输出，而MDAC则具有快速的稳定时间（小于 0.3 μsec），并具有多层带宽，可大于 10 MHz。一般而言，其他的 R2R 拓扑只具有中等的稳定时间能力。
使用设计者选择的外部输出缓冲器时，MDAC具有使用上的弹性，因此成为许多应用装置采用的架构，像是数字控制校正器或工业可程序逻辑控制器 (PLC)。设计者可针对特定的应用装置，挑选最佳的运算放大器。另一方面，低阻抗连接时需要外部缓冲器，因此增加了电路板上的装置数量。另外，就干扰能量而言，R2R 架构一定劣于电阻串行架构，因此对于波形产生以及其他对干扰敏感的应用装置，比较少使用 R2R DAC。
结论
需要考虑其他电路规格，像是增益误差或偏移误差；此外，温度变化或满刻度误差也是重要的参数。这些问题通常独立于特定架构之外，如果要有好的开始，设计者首先应了解基本需求，并思考所需的最低分辨率及线性。在封闭回路的应用装置中，可以使用成本及线性较低的电阻串行架构；至于在开放回路的应用装置中，R2R 架构的表现较佳，可以提供较佳线性，因此产生较高的精确度。
参考数据:
[1] DAC7714 datasheet by Texas Instruments: www.ti.com/sc/device/dac7714
[2] Amplifier and Data Converter Selection Guide (Rev. B) by Texas Instruments: http://focus.ti.com/lit/ml/slyb115b/slyb115b.pdf
[3] Digital-to-Analog Converter Product Portfolio by Texas Instruments: www.ti.com/dataconverters
我们在工学院上受过扎实的课程，学习模拟数字转换器 (ADC)、运算放大器 (Op Amp)、数字模拟转换器 (DAC) 等电子架构，或许对这些电路的基本功能已有认识，不过我们大多熟悉ADC的运作方式，对相反架构的DAC及其真正功能，就不是那么了解了。直到现在，对多数人而言，DAC就是个黑盒子，输入数字数据后，即输出代表该数据的模拟信号，只有少数人了解架构中的差异，以及电阻串行与 R2R 电阻阶梯彼此的优劣情形。如果设计者能了解其中的差异，以及一般用DAC的运作方式，就能为应用装置选择最合适的DAC。
本文将说明DAC的基本运作，并解答各位一直想了解的问题。
一般对DAC的主要印象就是一个黑盒子，输入数字数据后，会输出代表的模拟信号；其实还有更多细节值得探究。数字数据可为序列或串行数据格式，例如 SPI 或 I2C 这样的串行接口，利用序列方式传送数字数据流，就像进入“黑盒子”的项链或炼条；串行接口则是将所有必要位，加载于单一频率周期进入装置。在装置的另一侧，模拟输出信号可能是电压或电流。请参阅图 1。
不同的输入接口在数据格式、速度、接脚、芯片面积、装置尺寸以及应用弹性上，都有所不同。不过无论是序列或串行接口，都能将数字数据输入设备中。
一旦数字数据进入黑盒子（第一个区块图），数字缓存器就会负责某些操作，像是序列至串行的转换，或是在多信道装置中储存数据，直到数据转移至个别的DAC缓存器为止。DAC缓存器是输入缓存器与DAC架构间的桥梁，作用就像是内存，可储存数字数据。
在DAC设计初期，DAC缓存器就是外部记忆区段，负责保留数字数据。如果没有DAC缓存器，只要模拟电路系统的实时供电造成外部输入总线改变，DAC的输出就会立即变化。数据会停留在DAC缓存器中，直到用户决定以新程序代码进行更新为止。基本上，DAC缓存器的作用就像是正反器。
架构
在目前精准的DAC中，主要使用两种架构： R2R 与电阻串行，两种架构都使用部份数字逻辑的模拟电路。采用基本的 R2R 架构，即可产生电流或电压输出；电阻串行架构则只能使用输出缓冲器产生电压输出，在图2 中显示为输出电路盒。在电流输出情况下，并未使用输出缓冲器。
电阻串行架构
电阻串行架构顾名思义，就是以串联方式连接许多电阻建置电阻串行。理论上需要 256 个电阻，才能做出一个 8 位的DAC (28 = 256)（请见图 3）。
如果要增加分辨率，就代表需要更多电阻来制作一个电阻串行DAC。如果是 16 位的DAC，总共需要 65,536 个电阻，才能产生所有可能的电压／数字步骤。不过在设计的真实世界中，不可能在单一芯片上使用近 66,000 个电阻，尤其考虑到目前对小封装、低功率损耗以及低成本的种种需求。因此设计师另外利用较小型的电路系统，像是可以减少电阻数量与电阻串行上接点的内插式放大器，设计出节能效果更好、所占空间更小的装置。内插式放大器的作用为输出缓冲器。在目前某些电阻串行架构中，具有供放大器外部回馈回路使用的接脚。
图3中显示的电阻串行架构，包含了产生电压输出的内部输出缓冲器；电压输出相当于数字输入码。
电阻串行DAC的优势，在于低成本及绝对单调的特性，原因是采用了特定的电阻串行架构。此外，还有低功耗以及芯片面积小等重要特性，如此即可采用小型封装，适用于便携式应用装置中。另一项优势是其中已包含了输出缓冲器，不需要在电路板上额外使用外部组件。其次，输出缓冲器将内部电阻及模拟电路系统与外界隔绝，这对低阻抗的电路系统相当有帮助。许多应用装置需要低干扰能量，也成为电阻串行架构的另一项优势。
另一方面，由于电阻串行设计上的阻抗较高，因此其噪声通常高于 R2R 架构。设计者也要注意精确度有限的问题，又称为积分非线性误差 (INL)。早期的设计，INL 数值大约在 65 最低有效位 (LSB) 左右；较新的设计因为使用改良制成技术，目前提供的 INL 数值一般在 4 LSB 左右。对许多封闭回路的应用方式而言，例如马达控制与过程控制，一般在 4LSB 的 INL 数值已十分足够。不过在自动化测试设备等其他应用面，这样的数值还不够好；这些应用装置需要 1LSB 的 INL，因此需要使用不同的架构：R2R。
R2R 架构
R2R 架构主要包含以串行方式排列成电阻阶梯的电阻。图4为一种可能的 R2R 电阻阶梯，R2R 电阻阶梯的顶端在乘法式数字模拟转换器 (MDAC) 连接至外部参考电压，这种架构所输出的电流相当于数字输入码。
另一种在硅芯片中使用 R2R 电阻阶梯的方式如图 5 所示。外部参考电压并未直接连接至 R2R 电阻阶梯，开关会依据数字输入码，连接至参考电压或接地位准，并经由 R2R 网络前往输出缓冲器；输出缓冲器可将产生的电压信号转换为输出电压。
图5所示的架构，只能让单极输出电压由零V 变化至使用的外部参考电压（请注意，DAC的供应电压必须等于或高／大于参考电压）。藉由修改第二种架构，将接地位准连接至其他的外部负参考电压，即可完成双极操作。图6为修改后的架构，这种架构也可用于选择具有弹性的参考电压。VREFL 不一定都是负电压，不过 VREFL 一定要小于 VREFH。详细说明与数值可参考目前的产品说明书，例如 DAC7714 [1]。
R2R DAC的优势在于低噪声与高精确度，有可能达到 ±1 LSB INL 与 DNL（微分非线性误差）的一流精确度。此外，这类架构还能产生高电压输出，而MDAC则具有快速的稳定时间（小于 0.3 μsec），并具有多层带宽，可大于 10 MHz。一般而言，其他的 R2R 拓扑只具有中等的稳定时间能力。
使用设计者选择的外部输出缓冲器时，MDAC具有使用上的弹性，因此成为许多应用装置采用的架构，像是数字控制校正器或工业可程序逻辑控制器 (PLC)。设计者可针对特定的应用装置，挑选最佳的运算放大器。另一方面，低阻抗连接时需要外部缓冲器，因此增加了电路板上的装置数量。另外，就干扰能量而言，R2R 架构一定劣于电阻串行架构，因此对于波形产生以及其他对干扰敏感的应用装置，比较少使用 R2R DAC。
结论
需要考虑其他电路规格，像是增益误差或偏移误差；此外，温度变化或满刻度误差也是重要的参数。这些问题通常独立于特定架构之外，如果要有好的开始，设计者首先应了解基本需求，并思考所需的最低分辨率及线性。在封闭回路的应用装置中，可以使用成本及线性较低的电阻串行架构；至于在开放回路的应用装置中，R2R 架构的表现较佳，可以提供较佳线性，因此产生较高的精确度。
参考数据:
[1] DAC7714 datasheet by Texas Instruments: www.ti.com/sc/device/dac7714
[2] Amplifier and Data Converter Selection Guide (Rev. B) by Texas Instruments: http://focus.ti.com/lit/ml/slyb115b/slyb115b.pdf
[3] Digital-to-Analog Converter Product Portfolio by Texas Instruments: www.ti.com/dataconverters