将实现数字信号到模拟信号的转换电流称为数模(D/A)转换器,简称为DAC(Digital - Analog Convert)。
目前常见的D/A转化器中,有:权电阻网络D/A转换器、倒T型电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器、权电容网络D/A转换器、开关树形D/A转换器
一、数字信号的表达
在数字信号中,我们使用二进制对数字信号大小进行表达,比如一个n位二进制用Dn=dn-1*dn-2*……d1d0表示,其中一个多位二进制数中每一位的1所代表的数值大小称为这一位的权,从最高位(MSB)到最低位(LSB)的权依次为2^n-1、2^n-2、……、2^1、2^0
二、权电阻网络D/A转换器
如上图,S3、S2、S1和S0的状态分别受代码d3、d2、d1和d0的取值控制,代码为1时,开关接到参考电压Vref上,代码为0时开关接地。
该求和放大器是一个负反馈的运算放大器,理想放大器的开环放大倍数为无穷大,其输入电流为零(输入电阻为无穷大),输出电阻为零。
当参考电压经电阻网络加到V-时,只要V-稍高于V+,便在Vo产生很负的输出电压,V0经Rf反馈到V-端使V-降低,其结果必然使V-≈V+=0
在运算放大器输入电流为零的条件下可得:V0=-Rf*I=-Rf*(I3+I2+I1+I0)------------------①
由于V-≈0,因而各支路电流分别为
将各直流电流代入公式①中,并取Rf=R/2,可得:
对于n位的权电阻网络D/A转换器,当反馈电阻取为R/2时,输出电压的计算公式为
自此,我们可以提取出数字信号的表达形式:
即,当Dn=0时,Vo=0,当Dn=11...11时,
这个电路的优点是结构比较简单,所用的电阻元件比较少,但它的各个电阻阻值相差比较大,尤其在输入信号的位数较多时,这个问题更加突出。如输入信号增加到8位时,如果取权电阻网络中最小的电阻为R=10K,那么最大的电阻阻值将达到2^7R=1.28M,其两者相差128倍之多。要想在极为宽广的阻值范围内保证每个电阻阻值都有很高的精度十分困难,尤其对于集成电路更为不便。
为解决该问题,可采用倒T形电阻D/A转换器.
三、倒T形D/A转换器
由图可知,电阻网络中只有R、2R两种阻值的电阻,这给集成电路的设计和制作带来了很大的方便
如下图,从AA、BB、CC、DD每个端口向左看过去的等效电阻都是R,因此参考电源流入倒T形电阻网络的总电流为I=Vref/R,而每个支路的电流依次为:I/2,I/4,I/8,I/16
若di=0时开关Si接地(即放大器的V+),而di=1时开关Si接放大器的V-,在求和放大器反馈电阻阻值等于R的条件下,
总电流:
在求和放大器反馈电阻为R的条件下,输出电压(Vo=-R*i∑):
同理,对于n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器,在在求和放大器反馈电阻为R的条件下,输出电压