我們在工學院上受過紮實的課程，學習類比數位轉換器(ADC)、運算放大器 (Op Amp)、數位類比轉換器(DAC)等電子架構，或許對這些電路的基本功能已有認識，不過我們大多熟悉ADC的運作方式，對相反架構的DAC及其真正功能，就不是那麼瞭解了。直到現在，對多數人而言，DAC就是個黑盒子，輸入數位資料後，即輸出代表該資料的類比訊號，只有少數人了解架構中的差異，以及電阻串列與R2R電阻階梯彼此的優劣情形。如果設計者能了解其中的差異，以及一般用DAC的運作方式，就能為應用裝置選擇最合適的DAC。
本文將說明DAC的基本運作，並解答各位一直想了解的問題。
一般對DAC的主要印象就是一個黑盒子，輸入數位資料後，會輸出代表的類比訊號；其實還有更多細節值得探究。數位資料可為序列或串列資料格式，例如SPI或I2C這樣的序列介面，利用序列方式傳送數位資料流，就像進入「黑盒子」的項鍊或鍊條；串列介面則是將所有必要位元，載入於單一時脈週期進入裝置。在裝置的另一側，類比輸出訊號可能是電壓或電流。
不同的輸入介面在資料格式、速度、接腳、晶片面積、裝置尺寸以及應用彈性上，都有所不同。不過無論是序列或串列介面，都能將數位資料輸入裝置中。
一旦數位資料進入黑盒子(第一個區塊圖)，數位暫存器就會負責某些操作，像是序列至串列的轉換，或是在多通道裝置中儲存資料，直到資料轉移至個別的DAC暫存器為止。DAC暫存器是輸入暫存器與DAC架構間的橋樑，作用就像是記憶體，可儲存數位資料。
在DAC設計初期，DAC暫存器就是外部記憶區段，負責保留數位資料。如果沒有DAC暫存器，只要類比電路系統的即時供電造成外部輸入匯流排改變，DAC的輸出就會立即變化。資料會停留在DAC暫存器中，直到使用者決定以新程式碼進行更新為止。基本上，DAC暫存器的作用就像是正反器。
架構
在目前精準的DAC中，主要使用兩種架構：R2R與電阻串列，兩種架構都使用部份數位邏輯的類比電路。採用基本的R2R架構，即可產生電流或電壓輸出；電阻串列架構則只能使用輸出緩衝器產生電壓輸出，在圖2中顯示為輸出電路盒。在電流輸出情況下，並未使用輸出緩衝器。
電阻串列架構
電阻串列架構顧名思義，就是以串聯方式連接許多電阻建置電阻串列。理論上需要256個電阻，才能做出一個8位元的DAC(28 = 256)。
如果要增加解析度，就代表需要更多電阻來製作一個電阻串列DAC。如果是 16位元的DAC，總共需要65,536個電阻，才能產生所有可能的電壓／數位步驟。不過在設計的真實世界中，不可能在單一晶片上使用近66,000顆電阻，尤其考慮到目前對小封裝、低功率損耗以及低成本的種種需求。因此設計師另外利用較小型的電路系統，像是可以減少電阻數量與電阻串列上接點的內插式放大器，設計出節能效果更好、所佔空間更小的裝置。內插式放大器的作用為輸出緩衝器。在目前某些電阻串列架構中，具有供放大器外部回饋迴路使用的接腳。
電阻串列DAC的優勢，在於低成本及絕對單調的特性，原因是採用了特定的電阻串列架構。此外，還有低功耗以及晶片面積小等重要特性，如此即可採用小型封裝，適用於可攜式應用裝置中。另一項優勢是其中已包含了輸出緩衝器，不需要在電路板上額外使用外部元件。其次，輸出緩衝器將內部電阻及類比電路系統與外界隔絕，這對低阻抗的電路系統相當有幫助。許多應用裝置需要低干擾能量，也成為電阻串列架構的另一項優勢。
另一方面，由於電阻串列設計上的阻抗較高，因此其雜訊通常高於R2R架構。設計者也要注意精確度有限的問題，又稱為積分非線性誤差(INL)。早期的設計，INL數值大約在65最低有效位元(LSB)左右；較新的設計因為使用改良製成技術，目前提供的INL數值一般在4 LSB左右。對許多封閉迴路的應用方式而言，例如馬達控制與過程控制，一般在4LSB的INL數值已十分足夠。不過在自動化測試設備等其他應用面，這樣的數值還不夠好；這些應用裝置需要 1LSB的INL，因此需要使用不同的架構：R2R。
R2R架構
R2R架構主要包含以串列方式排列成電阻階梯的電阻。圖4為一種可能的R2R電阻階梯，R2R電阻階梯的頂端在乘法式數位類比轉換器(MDAC)連接至外部參考電壓，這種架構所輸出的電流相當於數位輸入碼。
另一種在矽晶片中使用R2R電阻階梯的方式如圖5所示。外部參考電壓並未直接連接至R2R電阻階梯，開關會依據數位輸入碼，連接至參考電壓或接地位準，並經由R2R網路前往輸出緩衝器；輸出緩衝器可將產生的電壓訊號轉換為輸出電壓。
圖5所示的架構，只能讓單極輸出電壓由0V變化至使用的外部參考電壓(請注意，DAC的供應電壓必須等於或高／大於參考電壓)。藉由修改第二種架構，將接地位準連接至其他的外部負參考電壓，即可完成雙極操作。圖6為修改後的架構，這種架構也可用於選擇具有彈性的參考電壓。VREFL不一定都是負電壓，不過VREFL一定要小於VREFH。詳細說明與數值可參考目前的產品說明書，例如DAC7714 [1]。
R2R DAC的優勢在於低雜訊與高精確度，有可能達到±1 LSB INL與DNL(微分非線性誤差)的一流精確度。此外，這類架構還能產生高電壓輸出，而MDAC則具有快速的穩定時間(小於 0.3 ?sec)，並具有多層頻寬，可大於10 MHz。一般而言，其他的R2R拓撲只具有中等的穩定時間能力。
使用設計者選擇的外部輸出緩衝器時，MDAC具有使用上的彈性，因此成為許多應用裝置採用的架構，像是數位控制校正器或工業可程式邏輯控制器 (PLC)。設計者可針對特定的應用裝置，挑選最佳的運算放大器。另一方面，低阻抗連接時需要外部緩衝器，因此增加了電路板上的裝置數量。另外，就干擾能量而言，R2R架構一定劣於電阻串列架構，因此對於波形產生以及其他對干擾敏感的應用裝置，比較少使用R2R DAC。
結論
需要考慮其他電路規格，像是增益誤差或偏移誤差；此外，溫度變化或滿刻度誤差也是重要的參數。這些問題通常獨立於特定架構之外，如果要有好的開始，設計者首先應瞭解基本需求，並思考所需的最低解析度及線性。在封閉迴路的應用裝置中，可以使用成本及線性較低的電阻串列架構；至於在開放迴路的應用裝置中，R2R架構的表現較佳，可以提供較佳線性，因此產生較高的精確度。
References
[1] DAC7714 datasheet by Texas Instruments: www.ti.com/sc/device/dac7714
[2] Amplifier and Data Converter Selection Guide (Rev. B) by Texas Instruments: http://focus.ti.com/lit/ml/slyb115b/slyb115b.pdf
[3] Digital-to-Analog Converter Product Portfolio by Texas Instruments: www.ti.com/dataconverters
本文將說明DAC的基本運作，並解答各位一直想了解的問題。
一般對DAC的主要印象就是一個黑盒子，輸入數位資料後，會輸出代表的類比訊號；其實還有更多細節值得探究。數位資料可為序列或串列資料格式，例如SPI或I2C這樣的序列介面，利用序列方式傳送數位資料流，就像進入「黑盒子」的項鍊或鍊條；串列介面則是將所有必要位元，載入於單一時脈週期進入裝置。在裝置的另一側，類比輸出訊號可能是電壓或電流。
不同的輸入介面在資料格式、速度、接腳、晶片面積、裝置尺寸以及應用彈性上，都有所不同。不過無論是序列或串列介面，都能將數位資料輸入裝置中。
一旦數位資料進入黑盒子(第一個區塊圖)，數位暫存器就會負責某些操作，像是序列至串列的轉換，或是在多通道裝置中儲存資料，直到資料轉移至個別的DAC暫存器為止。DAC暫存器是輸入暫存器與DAC架構間的橋樑，作用就像是記憶體，可儲存數位資料。
在DAC設計初期，DAC暫存器就是外部記憶區段，負責保留數位資料。如果沒有DAC暫存器，只要類比電路系統的即時供電造成外部輸入匯流排改變，DAC的輸出就會立即變化。資料會停留在DAC暫存器中，直到使用者決定以新程式碼進行更新為止。基本上，DAC暫存器的作用就像是正反器。
架構
在目前精準的DAC中，主要使用兩種架構：R2R與電阻串列，兩種架構都使用部份數位邏輯的類比電路。採用基本的R2R架構，即可產生電流或電壓輸出；電阻串列架構則只能使用輸出緩衝器產生電壓輸出，在圖2中顯示為輸出電路盒。在電流輸出情況下，並未使用輸出緩衝器。
電阻串列架構
電阻串列架構顧名思義，就是以串聯方式連接許多電阻建置電阻串列。理論上需要256個電阻，才能做出一個8位元的DAC(28 = 256)。
如果要增加解析度，就代表需要更多電阻來製作一個電阻串列DAC。如果是 16位元的DAC，總共需要65,536個電阻，才能產生所有可能的電壓／數位步驟。不過在設計的真實世界中，不可能在單一晶片上使用近66,000顆電阻，尤其考慮到目前對小封裝、低功率損耗以及低成本的種種需求。因此設計師另外利用較小型的電路系統，像是可以減少電阻數量與電阻串列上接點的內插式放大器，設計出節能效果更好、所佔空間更小的裝置。內插式放大器的作用為輸出緩衝器。在目前某些電阻串列架構中，具有供放大器外部回饋迴路使用的接腳。
電阻串列DAC的優勢，在於低成本及絕對單調的特性，原因是採用了特定的電阻串列架構。此外，還有低功耗以及晶片面積小等重要特性，如此即可採用小型封裝，適用於可攜式應用裝置中。另一項優勢是其中已包含了輸出緩衝器，不需要在電路板上額外使用外部元件。其次，輸出緩衝器將內部電阻及類比電路系統與外界隔絕，這對低阻抗的電路系統相當有幫助。許多應用裝置需要低干擾能量，也成為電阻串列架構的另一項優勢。
另一方面，由於電阻串列設計上的阻抗較高，因此其雜訊通常高於R2R架構。設計者也要注意精確度有限的問題，又稱為積分非線性誤差(INL)。早期的設計，INL數值大約在65最低有效位元(LSB)左右；較新的設計因為使用改良製成技術，目前提供的INL數值一般在4 LSB左右。對許多封閉迴路的應用方式而言，例如馬達控制與過程控制，一般在4LSB的INL數值已十分足夠。不過在自動化測試設備等其他應用面，這樣的數值還不夠好；這些應用裝置需要 1LSB的INL，因此需要使用不同的架構：R2R。
R2R架構
R2R架構主要包含以串列方式排列成電阻階梯的電阻。圖4為一種可能的R2R電阻階梯，R2R電阻階梯的頂端在乘法式數位類比轉換器(MDAC)連接至外部參考電壓，這種架構所輸出的電流相當於數位輸入碼。
另一種在矽晶片中使用R2R電阻階梯的方式如圖5所示。外部參考電壓並未直接連接至R2R電阻階梯，開關會依據數位輸入碼，連接至參考電壓或接地位準，並經由R2R網路前往輸出緩衝器；輸出緩衝器可將產生的電壓訊號轉換為輸出電壓。
圖5所示的架構，只能讓單極輸出電壓由0V變化至使用的外部參考電壓(請注意，DAC的供應電壓必須等於或高／大於參考電壓)。藉由修改第二種架構，將接地位準連接至其他的外部負參考電壓，即可完成雙極操作。圖6為修改後的架構，這種架構也可用於選擇具有彈性的參考電壓。VREFL不一定都是負電壓，不過VREFL一定要小於VREFH。詳細說明與數值可參考目前的產品說明書，例如DAC7714 [1]。
R2R DAC的優勢在於低雜訊與高精確度，有可能達到±1 LSB INL與DNL(微分非線性誤差)的一流精確度。此外，這類架構還能產生高電壓輸出，而MDAC則具有快速的穩定時間(小於 0.3 ?sec)，並具有多層頻寬，可大於10 MHz。一般而言，其他的R2R拓撲只具有中等的穩定時間能力。
使用設計者選擇的外部輸出緩衝器時，MDAC具有使用上的彈性，因此成為許多應用裝置採用的架構，像是數位控制校正器或工業可程式邏輯控制器 (PLC)。設計者可針對特定的應用裝置，挑選最佳的運算放大器。另一方面，低阻抗連接時需要外部緩衝器，因此增加了電路板上的裝置數量。另外，就干擾能量而言，R2R架構一定劣於電阻串列架構，因此對於波形產生以及其他對干擾敏感的應用裝置，比較少使用R2R DAC。
結論
需要考慮其他電路規格，像是增益誤差或偏移誤差；此外，溫度變化或滿刻度誤差也是重要的參數。這些問題通常獨立於特定架構之外，如果要有好的開始，設計者首先應瞭解基本需求，並思考所需的最低解析度及線性。在封閉迴路的應用裝置中，可以使用成本及線性較低的電阻串列架構；至於在開放迴路的應用裝置中，R2R架構的表現較佳，可以提供較佳線性，因此產生較高的精確度。
References
[1] DAC7714 datasheet by Texas Instruments: www.ti.com/sc/device/dac7714
[2] Amplifier and Data Converter Selection Guide (Rev. B) by Texas Instruments: http://focus.ti.com/lit/ml/slyb115b/slyb115b.pdf
[3] Digital-to-Analog Converter Product Portfolio by Texas Instruments: www.ti.com/dataconverters
