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D/A-Wandler Grundkonfiguration

Dekodiermethode

Ein Dekodierer wandelt ein digitales Signal um und gibt es an ein anderes System weiter.

Dekodiermethode - Abbildung 1

【Spannungsteiler Typ DAU】

In seiner einfachsten Form bezeichnet man ihn als Widerstandsreihe.
Bei dem unten dargestellten 3-Bit-DAU (Auflösung) wird die Spannung über Widerstände geteilt und an einem Knoten durch Schalter ausgelesen.
Doch obwohl ausreichender Hochgeschwindigkeitsbetrieb durch das Herabsetzen der Spannungswerte und der Verwendung eines nachgeschalteten Highspeed-Pufferverstärkers erreicht wird, geht dies zulasten der Arbeitsgeschwindigkeit. Diese wird bei hoher Auflösung durch die parasitäre Kapazität des Tasters gemindert.
Von Vorteil sind die herausragende Linearität und grundsätzlich die garantierte Monotonie.
Der primäre Nachteil liegt im exponentiell, je nach Auflösung, erhöhten Umfang des Schaltkreises.
8 Widerstände und ein Schalter werden für einen 3-Bit-Betrieb benötigt, 16 Widerstände und ein Schalter für einen 4-Bit-Betrieb, 1024 Widerstände und ein Schalter für einen 10-Bit-Betrieb etc.

【Spannungsteiler Typ DAU】 - Abbildung 1

【Spannungsteiler in zwei Stufen Typ DAU】

Diese Art von Spannungsteiler DAU zeichnet sich durch eine zweistufige Konfiguration aus.
In der ersten Stufe (links) des unten dargestellten 6-Bit-DAU werden beide Enden eines Widerstandes zwischen Vref und GND (ground) (dritter Widerstand von oben auf der linken Seite) ausgewählt.
In der zweiten Stufe (rechts) wird die Spannung weiter aufgeteilt, um eine noch höhere Auflösung zu erhalten.
Ein primärer Vorteil gegenüber einer einstufigen Konfiguration ist, dass durch eine Einschränkung des Schaltkreisumfangs die Zahl der notwendigen Widerstände und Schalter sogar für einen 6-Bit-DAU auf 16/18 Elemente beschränkt werden kann (bei der Spannungsteilermethode werden trotzdem 64 Elemente benötigt).
Weil für jede weitere Stufe zwei zusätzliche Verstärker benötigt werden, ist bei der Wahl der Methode die Überlegung wie viele Widerstände/Schalter notwendig sind von Bedeutung.
Ein Nachteil stellt die verstärkte Problematik in Zusammenhang mit konventionellen DAUs dar.
Im Hinblick auf die Geschwindigkeit beispielsweise kommt es durch die zwei Verstärker zu einer Verzögerung.
Bezüglich der Genauigkeit der Ausgangsspannung, kann aufgrund der Verstärker in der zweiten Stufe ein Offset entstehen.

【Spannungsteiler in zwei Stufen Typ DAU】- Abbildung 1

Binäre Methode

Ein Schaltkreis, der nicht gewandelte digitale Signale empfängt und verarbeitet, wird als binäres System bezeichnet.

D/A-Wandler – Grundkonfiguration 2(Binäre Methode) - Abbildung 1

Binäre Methode<Verwendung von Widerständen>

Binäre Systeme stellen der Schaltkreiskonfiguration gewichtete Daten bereit, wie im repräsentativen Beispiel eines R-2R-Leiterschaltkreises dargestellt.
R-2R-Leiterschaltkreise erscheinen als parallele Verbindungen von Widerstandswerten 2R von jedem Knoten, was den Strom pro Knoten halbiert.

1. Binäre Methode <Verwendung von Widerständen> - Abbildung 1
【R-2R-Leiter-DAC – Beispiel】

Das folgende Diagramm zeigt einen R-2R DAC mit 4-Bit-Auflösung
Dies ermöglicht die Erstellung kleinerer DACs mit einer Auflösung von bis zu 10 Bit (erforderliche Widerstände erfordern 3N für Nbit DAC und es sind weder ein Decoder noch große Switches erforderlich). In Kombination mit anderen Methoden sind Auflösungen von bis zu 14 Bits möglich.
Aufgrund der hohen relativen Genauigkeit, die für die Widerstände benötigt wird, kommt es jedoch zu einem Drawback (MOSFET-Größe). Außerdem sind Layout-Optimierungen (das R- und R2-Paar sind wichtig und der Widerstand MSR=A0 muss genau erstellt werden) erforderlich, um einen Betrieb mit hoher Präzision zu erreichen.

【R-2R-Leiter-DAC – Beispiel】- Abbildung 1

Binäre Methode <Verwendung von Kondensatoren>

Die konzeptuellen Diagramme unten zeigen das Konzept eines DAC unter Verwendung von Kondensatoren.
Dieser DAC muss während dem Wechsel verwendet werden.

2. Binäre Methode <Verwendung von Kondensatoren> - Abbildung 1
【DAC – Verwendung von 2NC Kondensatoren】

Im unten stehenden Diagramm ist ein 4-Bit-DAC mit Kondensatoren dargestellt. Egal welcher Switch (A0 bis A3) auf die linke Vref-Seite fällt, wird die Erreichung einer anderen Vout-Spannung ermöglichen. Sind beide Switches auf dem rechten Amp gleichzeitig eingeschaltet, geht die Beziehung mit der Ladung verloren, wodurch es notwendig wird, mithilfe von Zeitsignalen EIN-Zeit-Overlaps zu verhindern.
Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die hohe relative Genauigkeit der Kondensatoren einen Betrieb mit hoher Präzision ermöglicht. Darüber hinaus wird der DC-Strom nicht in den Kondensatoren generiert, was einen niedrigen Stromverbrauch bei niedrigen Frequenzen ermöglicht, da nur der Amp-Strom fließt.
Der Nachteil besteht darin, dass durch das Laden/Entladen der Kondensatoren höhere Geschwindigkeiten nicht möglich sind. Außerdem ist bei niedrigen Geschwindigkeiten eine Aktualisierungsoperation erforderlich, um den Ableitstrom auszugleichen.

【DAC – Verwendung von 2NC-Kondensatoren】- Abbildung 1
【DAC –Beispiel mit Verwendung von 2NC-Kondensatoren(mit Aktualisierungskontrollel)】

4-Bit-DAC mit Aktualisierungskontrolle durch Kondensatoren

Binäre Methode <Verwendung von Widerständen und Kondensatoren>

【Widerstand-Kondensator-DAC vom gemischten Typ – Beispiel】

Ein DAC vom gemischten Typ mit einer Auflösung von 6 Bit kann mithilfe eines 3-Bit-Widerstands-String-DAC (links) und eines 3-Bit-Widerstands-DAC konfiguriert werden.
Die Spannung in den Widerständen der oberen Bits wird basierend auf den Daten des unteren Abschnitts gewichtet und kompensiert.
Die Möglichkeit, hohe Auflösungen zu erreichen, bietet einen entscheidenden Vorteil.

【Widerstand-Kondensator-DAC vom gemischten Typ】- Abbildung 1

Thermometer Code-Methode

Zum Zeitpunkt des Datenwechsels liegt möglicherweise eine sehr andere Ausgangsspannung vor, was möglicherweise dazu führt, dass das Geräusch am Ausgangs-Analogsignal generiert wird. Dieses Geräusch kann als Glitch bezeichnet werden. Als Umgehung für diese Arten von Glitches wird häufig die Thermometer Code-Methode verwendet.

D/A-Wandler – Grundkonfiguration 3(Thermometer Code-Methode) - Abbildung 1

Thermometer Codes sind die Darstellung von Zahlen basierend darauf, wie viele Einsen vorliegen. Obwohl Glitches reduziert werden können, kann die Größe von Decodern, die von binärem in Thermometer-Code umwandeln, basierend auf der Auflösung exponentiell im Umfang steigen.

D/A-Wandler – Grundkonfiguration 3(Thermometer-Code-Methode) - Abbildung 2

【Thermometer-Code <Widerstandsmodus>DAC-Beispiel】

3-Bit-DAC mit Thermometercodes.
Natürliche Glitches kommen nicht vor.

【Thermometer-Code <Widerstandsmodus>DAC-Beispiel】- Figure1

【Thermometer-Code <Strommodus>DAC-Beispiel 】

Ein DAC im Strommodus bestimmt die Ausgangsspannung Vo durch das Abziehen von Strom aus einer Reihe von Zellen.
Die unten stehende Abbildung zeigt eine 8x8-Konfiguration (64-Abstufung) = 6-Bit-Auflösung
Indem einfach der pinke Abschnitt reduziert wird, steigt der aus R abgeleitete Strom und Vout sinkt.
Die Thermometer-Code-Kontrolle verhindert, dass am Vout Glitches auftreten.

【Thermometer-Code <Strommodus>DAC-Beispiel 】- Abbildung 1

Im obigen Diagramm eines Strom-Typ-DACs sind oben und unten vertauscht.
Kaskadenstromquellen sind weniger von Ausgangsspannung betroffen, was zu einer hohen Genauigkeit führt.
Dadurch wird der Ausgangsspannungsbereich reduziert.

【Thermometer-Code <Strommodus>DAC例】-  Abbildung2
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