本文介绍电压模式R-2R DAC结构。
在本文中，我们将探索性地了解什么是R-2R dac以及如何实现它们。
首先，我们将简要介绍一个Kelvin分隔段DAC。这种结构很简单，但它们需要大量的电阻器和开关来实现高分辨率DAC。该问题的一个解决方案是称为R-2R DAC的DAC结构。这些结构使梯形网巧妙地利用梯形网络与较少电阻器的DAC实现。
什么是DAC？
数字到模拟转换器（DAC）接收表示为数字代码的数据，并产生等效的模拟输出（参见下图1）。值得一提的是，除了数字输入之外，DAC还需要模拟参考电压或电流来运行。该参考参考可以在DAC芯片内部或外部提供。
图1。图片礼貌模拟设备。
上述理想传递函数对应于3位单极DAC。请注意，DAC输入和输出都是量化的值，传输函数实际上由8个点组成(而不是通过这8个点的一条线)。此外，最大模拟输出(所有1的输入代码的输出)比满量程(FS)值低一步。
字符串DAC（Kelvin分频器）的介绍：2的问题N电阻器
制造图1的传递函数的基本结构如下图2所示。称为字符串DAC或Kelvin分频器，该结构使用八个等电阻串联，以产生三位DAC的八个不同电压电平。例如，生成等于V的模拟输出裁判/ 4，我们只需要转动开关SW4.上。
输出缓冲区用于防止电阻字符串从DAC输出节点（V）v遇到任何加载效果。DAC。
图2
Kelvin分频器的一个主要缺点是n位DAC需要2N电阻和交换机。这就是为什么使用这种方法构建高分辨率DAC并不容易的原因(尽管可以将开尔文分频器与其他技术结合起来构建更复杂的DAC)。
然而，有一种有趣的方法，它使用梯形图网络显着减少电阻器的数量。这些结构称为R-2R DACS，在下一节中讨论。
分析R-2R DAC电路
一个基本的4位R-2R电压模式DAC如图3所示。数字代码应该应用于输入D3…D.0., where D3 is the most significant bit (MSb) and D0 is the least significant bit (LSb). Please refer to a previous article by Robert Keim to learn more about最多/最少有效位/字节数和字节长度。
如您所见，梯形图网络中有两个不同的电阻值（R和2R）。
图3.
R-2R DAC电阻
一些观察可以使电路的分析更简单:
- 向每个R电阻的左侧展示，我们将始终看到R的等效电阻。这是由图4中的蓝色箭头显示的。
- 考虑到前面的观察，我们知道从R电阻的右端看，我们总是会看到一个2R的等效电阻(图4中的红色箭头)。
注意，为了计算等效电阻器，施加到D3 ... D0的电压源短路到地。
图4.
电路操作
现在让我们来检查电路操作。假设D0连接到v裁判其他位都是低逻辑位;我们得到了图5中的电路。
图5.
应用临时定理，我们可以将电路模拟到虚线左侧，如图6所示。
图6.
母线等效电压为VREF除以两个，临时电阻等于R.
现在，我们使用这个等效电路并获得图7中的电路。
图7.
用戴维宁方程简化R-2R DAC电路
如果我们考虑图7中虚线左边的电路，我们可以观察到一个重复的模式。有两个2R电阻和一个电压源。Thevenin等效的这部分电路将如图8所示。
图8.
因此，V.裁判如果我们把这个模型连接到电路的其余部分，前面的图形将再次出现。如图9所示。
图9.
考虑到以前的简化，我们可以轻松找到临时电路的母线到虚线的左侧。母线电压将是v裁判/ 8，母线电阻将是2R。插入母线等价物，我们获得图10。
图10.
考虑到虚拟地面在运算放大器的反相输入，我们可以看出，没有电流将流过导通接地D3输入的电阻，从而流动电流（V.裁判/ 8）/ 2r将流过反馈电阻（rF）。假设R.F= 2R，输出电压将是vdac = -2R✖（v裁判/ 8）/ 2r = -V裁判/ 8。该输出电压对应于DAC LSB。
现在，让我们检查其他数字输入组合。假设D1与V相连裁判而另一个位是低电平的逻辑。考虑到我们的第一次观察，我们可以模拟电路，如图11所示。
图11.
应用Thevenin定理，我们得到以下示意图。
图12.
这与图9相同，除了输入是v裁判/2，而不是V裁判/ 4。考虑到案件的结果d3.D.2D.1D.0.= 0001，如果RF= 2r我们获得vDAC= -V.裁判/ 4。
如果D.2连接到v裁判而另外三位是逻辑低，我们在图13中获得了模型。
图13.
应用Thevenin定理，我们得到了图14中的电路。
图14.
考虑运放反相输入处的虚地，电流(V裁判/2)/2R应流经反馈电阻。因此，我们有:VDAC= -V.裁判/ 2。
要检查MSB，我们假设D3连接到v裁判（逻辑高）和其他三位连接到地面（逻辑低）。在这种情况下，我们获得图15中的模型。
图15.
因此，输出电压为VDAC= - （v裁判/ 2r）✕2r= -v裁判。
总结，连接输入D3.D2D1和D.0.到V.裁判可以分别产生-V的电压步骤裁判，-v.裁判/ 2, - v裁判/ 4，和-V裁判/ 8。这些电压步骤是执行数字到模拟转换时所需的参考电压的二进制加权分数。由于电路是线性的，输入的组合将产生相同的输出电压步骤的相同组合。例如，如果d0.和D1连接到v裁判和D2和D3.逻辑低，输出将是-V裁判/ 8 -V.裁判/ 4 = -3V裁判/ 8。注意反馈电阻RF，直接影响DAC的增益。
电压模式R-2R DAC的一些重要特性
R-2R梯形网络中的电阻连接永远不会断开开关（如在Kelvin分频器中）。设计使得OP-AMP的反相端始终看到恒定的等效电阻，无论应用于DAC的数字代码。换句话说，梯形图网络的输出阻抗是恒定的。这使得稳定放大器或单位增益缓冲器更容易。
然而，参考电压源观察来自梯子网络的变化负载阻抗。因此，参考发生器应该能够为各种负载电阻产生精确的电压。
如果与理想分量值有较大偏差，R-2R DAC的输入输出响应可以是非单调的。单调DAC响应要么完全不增加，要么完全不减少。例如，开尔文分频器的输入输出特性是单调的。如果我们增加输入数字代码，输出模拟电压将增加或(在最坏的情况下)保持其值;它不会减少。因此，元件失配不能导致非单调响应。
R-2R DAC不是这种情况。通过图4的结构，模拟输出应随输入代码的增加而减小。然而，假设，由于电阻值中的不匹配，对应于MSB的输出电压步骤是-3✕V裁判/ 4而不是理想的值-V裁判。如果输入代码从0111更改为1000，输出将从-V裁判/ 2 - v裁判/ 4 - V裁判/ 8 = 7✕V裁判/ 8 - 3✕V裁判/ 4。
因此，如果我们有不匹配，则输入代码的增加可能导致模拟输出电压的增加，因此输入到输出响应可能是非单调的！请注意，某些应用程序需要在闭环系统中使用DAC。在这些情况下，非单调DAC响应可以改变负面的反馈积极反馈。这就是为什么单调性可能取决于应用程序。
在本文中，我们简要地回顾了开尔文分频DAC。然后，我们检查了电压模式R-2R DAC。我们看到，R-2R结构巧妙地利用梯形网络来显著减少电阻的数量，特别是对于高分辨率的D/ a转换器。
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整洁的文章。对于R-2R，VREF通常基于您的电路为VCC / 2，右图？
谢谢你的输入！使用理想的OP-AMP，我认为我们没有关于VREF的值的任何限制，但考虑到实际实现，应以OP-AMP电路可以正确运行的方式选择VREF。例如，我们对OP-AMP输入的共模电压有局限性。这种考虑可以为VREF的值设置上层和下限。