資料轉換器:ADC 與 DAC

二進位加權 DAC(binary-weighted DAC)

二進位加權 DAC 是把數字變成電壓最直接的方式:給每個位元它自己的開關和它自己的電阻,讓每個位元剛好貢獻它的位值。就像用硬幣找零,每枚硬幣的價值是前一枚的兩倍——1、2、4、8——你只需為每枚硬幣決定要不要投進去。把你選的硬幣加起來,就得到那個數字,如今化為電流或電壓。

機制上,每個位元驅動一個接到參考的電阻,電阻值依二進位權重排列:R,接著 2R,再 4R,再 8R,依此類推,每往下一步電流減半。最高有效位元,配最小的電阻 R,推出最大的電流;最低有效位元,配最大的電阻,推出最小的電流。一個加法運放把所有被切入的電流加成一個輸出電壓。把設為 1 的位元打開,它們的電流就加成剛好正確的總和——位元 3 貢獻 8 單位、位元 2 貢獻 4,依此類推。

為何重要,又為何在高解析度時甚少採用:這構想美在簡單,但電阻值橫跨極大的範圍。8 位元時最大電阻是最小的 128 倍;16 位元時超過 65,000 倍。要讓一顆 1 kΩ 和一顆 65 MΩ 的電阻匹配到好於六萬五千分之一,且隨溫度彼此追蹤,極不實際。這正是 R-2R 階梯被發明的全部原因——它只用兩種電阻值就取得同樣的二進位加權,避開這不可能的跨距。

一個 4 位元二進位加權 DAC 用電阻 R、2R、4R、8R。經 R 的最高位元通過 8 單位電流,下一個 4,再 2,再 1。碼 1011(11)切入 8、2、1 三條路徑:8 + 2 + 1 = 11 單位的輸出。僅 4 位元時跨距就已是 8:1。

每個位元一顆切換電阻,每顆的價值是下一顆的兩倍。

它的致命弱點是要在巨大數值範圍內匹配電阻。最高有效位元的電阻必須準到好於整個轉換器的一個 LSB,而當它比最低有效位元的電阻小上數千倍時,這極其困難。

又称
weighted-resistor DAC二進位加權數位類比轉換器加權電阻 DAC