【E課堂】DAC的基礎知識：靜態技術規格

　　所有DAC之間的共性就是技術規格的定義以及說明。這篇文章將會論述靜態DAC技術規格。靜態DAC技術規格包括對DAC在DC域中所具有的特性的描述。在DC域中時，DAC的數字與模擬定時現象不屬于這一組技術規格。

　　圖1

　　雖然這3個DAC拓撲互不相同，但它們的技術規格與電氣描述非常類似。

　　一個主要的靜態DAC技術規格就是理想轉換函數(圖2)。在對這個普通轉換函數的圖示中，可以輕松地體會和理解零代碼、偏移、滿量程以及增益的定義。一旦你理解了上述概念，差分非線性 (DNL)，積分非線性 (INL)以及單調性技術規格也就再次成為理想轉換函數的另一個導函數。

　　圖2

　　理想DAC轉換函數

　　圖2顯示了一個DAC是如何為數字輸入代碼的一個離散數值生成單個模擬輸出值的方式。圖中數字輸入代碼的順序是單極的，其中代碼以標準二進制的方式增加。

　　圖2中DAC轉換函數的模擬范圍是從零至模擬輸出滿量程 (FS) 值。DAC電壓基準 (VREF) 建立了轉換器的最低有效位 (LSB) 或代碼寬度，并且設定了滿量程范圍 (FSR)。LSB的大小等于VREF/ 2N。

　　在圖2中，“N”等于轉換器的分辨率，而2N等于轉換器單個位的數量。DAC所具有的代碼的數量等于2N。對于3位轉換器來說，代碼數量等于23或8。這個理想轉換函數的轉換公式為VOUT = VREF x (CODE/2N)，并且滿量程輸出電壓等于VREF – 1LSB。

　　零代碼誤差

　　圖3中，DAC的零代碼誤差是最易理解的靜態技術規格。我們假定這個值是針對一個單極、單電源DAC而言的，這個DAC的完全理想最小輸出電壓為0伏。當將數字0值載入到DAC寄存器中時，零量程誤差出現在DAC的模擬輸出引腳上。這個誤差是由內部輸出放大器的輸出擺動性能導致的。對于單電源DAC來說，零量程誤差始終為正值，而這個技術規格的單位為毫伏或微伏。

　　圖3

　　DAC的內部輸出放大器因不能達到負電源軌而導致的零誤差運行狀態。

　　偏移誤差

　　然而，偏移誤差是不同的。偏移誤差在整個DAC轉換曲線的大部分范圍內存在。在圖4中，在理想轉換曲線的每一個代碼上，模擬偏移誤差都會變化。從圖中你能夠看到，在沿著x軸的垂直方向上，具有偏移誤差的轉換曲線與理想曲線的相同程度。這個技術規格的單位通常為毫伏。

　　圖4

　　偏移誤差可為正，亦可為負，但是它始終以同樣的誤差影響著每一個代碼。

　　增益誤差

　　增益誤差這個概念有些難以理解。總的來說，增益誤差描述的是理想DAC曲線斜率的變化。圖5對這個概念進行了說明。增益誤差技術規格通常以FSR的百分比來表示，并且在消除偏移誤差之后進行計算。

　　圖5

　　DAC的增益誤差使理想轉換函數繞著零交叉點旋轉。

　　差分非線性

　　差分非線性 (INL) 是一個靜態技術規格，有時也被稱為差分線性。DNL是實際模擬輸出步長與1LSB的理想步長值的最大偏離。這在整個實際轉換函數曲線上進行評估(圖6)。由于每個代碼也許都需要調整，所以很難校準這個DAC誤差。

　　圖6

　　DNL代表每個實際電壓輸出與理想曲線間的差異。一個12位DACDNL誤差曲線，其中x軸等于DAC代碼(0至4095)，而y軸等于DNL。

　　例如，一個對于1 LSB數字代碼變化發生1.5 LSB輸出改變的DAC表現出0.5 LSB的差分非線性。DNL大于1也許說明存在缺失的代碼。差分非線性的測量單位為分數位或滿量程的百分比。出現DNL問題的DAC所生成的誤差會影響到增益控制應用。

　　單調性

　　作為一名音樂家，我從來都不理解這個術語的來源。在音樂領域，單調的定義就是只有一個音調。但接下來我們要從另外一個角度來看看這個DAC技術規格的定義。

　　少于 -1 LSB的差分非線性為DAC產生一個非單調轉換函數(圖7)。如果DAC是非單調的，那么DAC模擬輸出的振幅小于數字輸入代碼的增加量，反之亦然。

　　圖7

　　非單調DAC運行狀態在模數轉換關系中出現反轉。

　　一個DAC所表現出的任何非單調運行狀態無法確定是否會對系統造成影響。例如，在音頻應用中，聽眾能夠聽到一個短暫的較小的模擬輸出電壓，而無法察覺較大的輸入代碼。在另外的應用中，這會是一個很明顯的問題，有可能導致系統振蕩。例如，在一個DC電機控制系統中，相對于輸入代碼的增加而產生的模擬輸出電壓減少，也許很容易地被誤解為系統將通過減少輸入代碼來執行校正。

　　積分非線性

　　另外一個DAC靜態技術規格為積分非線性 (INL)，它是DAC真實轉換函數到理想轉換函數輕微偏離的測量值(圖8)。積分非線性、線性誤差、或者INL是DNL誤差的最高值。這個技術規格使用最優直線或端到端(端點線性)直線來量化INL，單位為LSB。

　　圖8

　　INL技術規格定義了最優直線或端到端直線與理想DAC轉換函數之間的最差情況距離。

　　諸如仲裁波形發生器的應用需要有較好的INL。

　　在數據表之間比較技術規格

　　當將一個數據表與另一個數據表進行比較時，技術規格也許會有不同的測量單位。例如，在一個數據表中，偏移誤差的單位也許是伏，而在另外一個數據表中，單位也許是LSB或FSR的百分比。表1提供了在LSB、伏、FSR百分比和PPM(百萬分率)之間的轉換計算方法。

　　表1 技術規格單位轉換

　　結論

　　DAC的偏移、增益、INL、和DNL運行狀態會以多種方式影響總體系統的有效性。但是，還有很多其它的影響因素。在這個DAC系列的第4部分，我們將涉及動態技術規格的定義，諸如穩定時間、毛刺脈沖和噪聲。