R-2R解码研究之三世界上第一个16位单片DAC有哪些黑科技

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R-2R解码研究之三世界上第一个16位单片DAC有哪些黑科技
（By高老庄，2025年3月18日,主要参考：PCM53 datasheet）
（一）16位单片DAC的历史意义
1982年初，布尔-布朗（Burr-Brown，后来归属于德州仪器Texas Instruments）推出了16位单片数模转换器，帮助飞利浦和索尼早期的光盘（Compact Disc，CD），实现了价格合理的高质量光盘播放器，该转换器永久改变了音乐的播放和发行，从模拟留声机唱片转变为数字光盘，迎来了数字媒体播放。

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（二）2000年TI收购BB。
2000年，TI收购了 Burr Brown（别称：BB）。TI 花费76亿美元收购Burr-Brown（TI历史上最大金额并购），补充了TI 的数据转换器和放大器产品组合，极大增强了其在数据转换器和放大器市场的竞争力，使 TI 在模拟业务排名中仅次于 ADI，位居第二。

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（三）世界上第一个16位单片DAC产品
　1981年推出的PCM53/DAC700是世界上第一个16位单片DAC产品。PCM53 采用分段架构，采用超稳定、精确匹配的镍铬（NiCr）薄膜金属电阻，可提供单调性、低失真和低差分线性误差（尤其是在过零点附近），并且在长时间内和整个工作温度范围内保持稳定。芯片包含具有稳定的低噪声内部齐纳电压基准、高速电流开关、电阻梯形网络和快速建立、低噪声输出运算放大器；特殊设计的开环参考基准为苛刻的音频应用提供了快速建立时间，典型值为3uS，使PCM53可以采用2倍或4倍采样以简化后端模拟滤波器的设计。

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（四）PCM53功能图

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（五）四十年前的PCM53有哪些黑科技（1/2）
对于PCM音频DAC而言，首要需求是低的线性误差、单调性、和各种温度条件下的稳定性。
1、分段架构：PCM53的最高三位即14-16bit使用了7个精密均值0.25mA电流源，通过3-7译码后提供0到1.75mA的加权电流，确保了其单调性，降低了初始匹配难度，消除了温度和时间变化带来的跟踪误差。
2、均流源晶体管和电阻网络：低13位使用另外9个精密均值电流源、电流源晶体管和改进型的R-2R两级梯形网络转换，实现0.25mA电流的(2^13-1)=8191倍分割即30nA步进，使得输出电流在0到1.99997mA之间；16个电流源和R-2R梯形网络的初始精度通过激光修正相应的负载电阻来实现。
3、恒定的电流消耗：为保证16位的转换精度，当输入数字信号变化时要求芯片消耗的电流保持恒定——这是为了保证芯片温度恒定的需要。电流源开关使用差分开关对，输入为1时一侧（右侧）开关打开形成转换电流，输入为0另一侧开关打开为电流源提供关断负载。第二级R2R梯形网络为低13位转换提供关断负载，同时也简化了电阻网络的接地。
4、掩埋齐纳电压基准：大多转换器使用闭环放大器为电流源提供精密直流偏置，为尽可能缩短稳定时间，PCM53使用了开环参考电路，不需要频率补偿电容；带开尔文检测的掩埋齐纳二极管电压基准，保证了在较宽温度条件下的稳定性。

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（五）四十年前的PCM53有哪些黑科技（2/2）
5、高速输出放大器：输出放大器用于电流—电压转换，必须要求和参考基准、均值电流源相同的精度和开关网络相同的速度,其典型压摆率为10V/uSec；为使输出摆幅达到±10V，输出级使用了两个三极管对并联，且工作于AB类放大，保证了正负满幅输出范围内103dB的开环增益和0.03Ω的闭环输出阻抗。
稍低于这个指标，错误就可能发生。例如，开环增益从94dB变化至100dB,则-10V至+10V的输出误差将达到100uV,且为非线性误差；同时，如果闭环输出阻抗从0.04Ω变化至0.08Ω，则输出非线性误差将达到200uV。

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（六完）四十年过去了，集成电路的发展一日千里。如果有人说分立R2R解码电路超过DAC芯片的性能，那就是个笑话！
膜拜大佬们吧！2010年12月6日里程碑仪式上的获奖者DAC团队成员，照片由琳达·普拉扎克（Linda Prazak）拍摄。

fhc7867

确实，复古搞什么分立件DAC本就是个笑话。

MT4S301

BB的收购价超过NSC啦？

128

不太懂。老D/A中，不是TDA1541大热吗？

qhj

带采样保持功能的PCM53解码还一直没有搞成功，残念

gkb986

qhj 发表于 2025-3-23 12:21
带采样保持功能的PCM53解码还一直没有搞成功，残念

PCM53需要外部的采样保持电路。

wyqgyn

这不是世界第一片，比他早的还有PCM52，再向前是PCM51，再向前是PCM50，再向前是DAC73K,再向前是DAC736。

gkb986

wyqgyn 发表于 2025-3-24 10:04
这不是世界第一片，比他早的还有PCM52，再向前是PCM51，再向前是PCM50，再向前是DAC73K,再向前是DAC736。

一看就是老烧！
PCM53是世界第一个量产的16位、单片、数模转换器。