電阻串理論

Ameya360

電阻串 DAC 有時被稱為 Kelvin 分壓器或 Kelvin-Varley 分壓器（以其發明者命名），是用于 DAC 設計最直接的方法之一。最簡單的電阻串 DAC 只是一系列相同尺寸的電阻器和每個電阻器之間的接點。適當的接點可根據應用于 DAC 的數字代碼切換至輸出緩沖器。這種有限開關活動可產生極低的干擾能量。在理想情況下，每個電阻器都會針對等于 1 LSB 的參考電壓產生壓降。下圖是該架構的簡單說明。

隨著電阻串 DAC 中分辨率的提高，設計所需的電阻器數量也在呈指數級增長。一個 n 位電阻串 DAC 需要 2n 個電阻器，因此高分辨率電阻串 DAC 通常需要大型 IC 封裝。這就意味著 16 位 DAC 需要 65,536 個電阻器，18 位需要 262,144 個，而 20 位則需要 1,048,576 個電阻器！級聯分段技術有時可用來減少所需的電阻器數量，但對于我們的用途而言，我們將不考慮分段技術，因為即使實施了分段，架構趨勢在應用層面也更傾向于實用。

每個電阻器值的精確度可直接決定線性度。如果電阻串中任何一個電阻器的值不合適，我們就會在代碼轉換時發現相對于該電阻器的不良微分非線性度 (DNL)。此外，所有后續代碼的積分非線性度 (INL) 也會因為不匹配而產生失調。由于典型電阻串 DAC 設計中的電阻器數量龐大，我們不可能對每個電阻器都進行調整，因此只能接受一定程度上的 DNL 誤差。然而，仍然必須維持良好的 INL 性能，因此可經常對各組電阻器實施區域化調整，以避免調整每個電阻器，其在以下 INL 圖中呈“階梯”狀。

電阻串 DAC 的一個額外優勢是：從參考輸入看，除了在瞬間代碼轉換階段外，輸入阻抗都可保持恒定。其它數據轉換器架構（尤其是 SAR ADC）具有動態加載條件，需要一個參考緩沖器，而電阻串 DAC 就沒這個必要。然而一般來說，應該對任何參考進行緩沖，尤其是在輸入／輸出隨高頻率變化時。還需要重點關注的是參考等效輸入阻抗通常都非常高，可使大多數電阻串 DAC 具有極高的電源效率。

電阻串 DAC 設計最終、最微妙的元件是位于串電阻器及接點之前的分壓器。該電阻器電阻等于串中其余電阻器的等效阻抗，能有效將參考輸入減半。這樣做的目的是降低輸出緩沖器的共模輸入要求，并在實現良好性能的同時幫助保持低成本。為了對此進行補償，輸出緩沖器一般采取 2 倍的非反相增益，盡管有時反饋電阻器通過數字控制實現不同增益。

電阻串 DAC 需要記住的幾個特性：

• 簡化設計，實現低成本；
• 低干擾能量；
• 固有的單調性；
• 低功耗。
  
  

電阻串 DAC 通常可在便攜式電池供電應用中找到用武之地，充分發揮其低功耗優勢。此外，電阻串 DAC 還適用于可充分利用其固有單調特性的閉環控制系統等應用，以及各種低成本應用，在該應用中 DAC 只為系統提供一些校準特性，而不會像我們在其它 DAC 應用中可能看到的那樣，擔任“主角”。

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