ЦАП изготовляют, в основном, в интегральном исполнении. При этом ориентируются на их использование в различных микропроцессорных системах обработки данных. В настоящее время применяют три вида технологии производства ЦАП: модульную, гибридную и полупроводниковую. Производство полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС ЦАП) в общем объеме их выпуска непрерывно возрастает.

Существует два широко распространенных способа цифро-аналогового преобразования с использованием:

а) резистивной матрицы с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями;

б) матрицы с двумя номиналами сопротивлений, которую обычно называют матрицей R–2R.

ЦАП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями (рис. 3.17) состоит из следующих компонентов: n ключей, по одному на каждый разряд, управляемых преобразуемым двоичным кодом N; матрицы двоично-взвешенных резисторов; источника опорного напряжения Uоп; выходного операционного усилителя, с помощью которого суммируются токи, протекающие через двоично-взвешенные сопротивления, для получения аналогового выходного сигнала Uвых, пропорционального цифровому коду.

Рис. 3.17. ЦАП с двоично-взвешенными сопротивлениями

Регистр, который обычно является внешним устройством по отношению к ЦАП, вырабатывает двоичный код N, состоящий из n двоичных разрядов

где ai – коэффициент, имеющий значение 1 или 0.

Каждый i-й разряд управляет ключом Клi, который подключается к источнику опорного напряжения Uоп, когда аi = 1, или к общей шине, когда аi = 0. Сопротивления резисторов, соединенных с ключами, таковы, что обеспечивается пропорциональность протекающего в них тока двоичному весу соответствующего разряда входного кода. Сопротивление резистора в старшем разряде имеет значение R, сопротивление следующего резистора 2R и т.д. до сопротивления резистора в младшем разряде, значение которого R2n-1. Следовательно, ток, протекающий на входе ОУ,

.

Соответственно, выходное напряжение ЦАП

пропорционально взвешенному коду, у которого принимают единичное значение разряды, соответствующие ключам, связанным с источником Uоп. Максимальное выходное напряжение имеет место, когда все разряды примут значение 1:

.

Номиналы сопротивлений в младшем и старшем разрядах отличаются в 2n-1 раз и должны быть выдержаны с высокой точностью. Например, для 12-разрядного ЦАП использование в старшем разряде сопротивления 10 кОм потребует включения в младший разряд преобразователя сопротивления порядка 20 МОм. Это создает трудности при реализации ЦАП посредством интегральной технологии.

Если требуется преобразование с высокой точностью, то ЦАП с двоично-взвешенными резисторами должен содержать резисторы широкого ряда номиналов сопротивлений и подобранные для каждого разряда полупроводниковые ключи.

ЦАП с двумя номиналами сопротивлений (рис. 3.18) исключает эти сложности благодаря наличию дополнительного резистора в каждом разряде.

Так как эта матрица резисторов является линейной цепью, ее работу можно проанализировать методом суперпозиции, т.е. вклад в выходное напряжение от каждого источника (разряда) рассчитать независимо друг от друга. Вклады от каждого разряда суммируются для получения на выходе ЦАП результата в виде напряжения.

Рассмотрим работу ЦАП, если ключ Клn-1 старшего разряда подключен к источнику опорного напряжения Uоп, а все остальные ключи замкнуты на общую шину. Эквивалентное сопротивление цепи справа от узла Mn-1 равно 2R, так как входной вывод ОУ фактически имеет нулевой потенциал. Легко проверить, что эквивалентное сопротивление сверху от узла Mn-1 также равно 2R. Для рассматриваемого случая эквивалентная схема матрицы представлена на рис. 3.19, а.

Рис. 3.18. ЦАП с матрицей R–2R с суммированием токов

Рис. 3.19. Эквивалентные схемы матрицы R–2R:

а – при преобразовании кода 100-0; б – при преобразовании кода 010-0

Ток, вызванный источником опорного напряжения Uоп, в узле Mn-1, делится пополам (рис. 3.19, а), обеспечивая на выходе ОУ напряжение

.

Учитывая, что источник опорного напряжения нагружен сопротивлением Rн = 2R || 2R = R, последнее соотношение можно записать в следующем виде:

Рассмотрим работу ЦАП, если ключ Клn-2 подключен к источнику опорного напряжения Uоп, а все остальные ключи замкнуты на общую шину (см. рис. 3.19, б). Так как ток в узле Мn-2 для этого случая снова делится пополам, получаем выходное напряжение ЦАП, обусловленное разрядом (n – 2)

То же самое происходит и с другими разрядами ЦАП. Окончательно запишем

Таким образом, выходное напряжение ЦАП пропорционально сумме напряжений со своими весами, обусловленных теми ключами, которые подключены к источнику Uоп.

В рассмотренной схеме ЦАП используется токовый режим работы суммирующего элемента, т.е. ОУ выполняет суммирование токов. Соответственно формирование разрядных токов осуществляется с помощью ключей, коммутирующих токи (токовых ключей).

Существует ЦАП, использующий режим работы суммирующего элемента, близкий к холостому ходу (ОУ суммирует напряжения) (рис. 3.20). По сравнению с рис. 3.18 здесь используется обратное включение входа и выхода матрицы R–2R.

Рис. 3.20. ЦАП с матрицей R–2R с суммированием напряжений

Преимуществом этой схемы является возможность работы ЦАП без выходного ОУ. При неизменном сопротивлении нагрузки последнее сказывается только на масштабе Uвых и не создает погрешностей в выходном напряжении. Однако ввиду существенной разности потенциалов между контактами ключей, коммутирующих напряжение, а также ввиду относительно большой емкости между элементами в схемах с такими ключами возникают длительные переходные процессы, уменьшающие быстродействие ЦАП. Поэтому в ЦАП используют токовые ключи, потенциалы между контактами которых близки к нулю и, следовательно, переходные процессы протекают быстрее. По таким схемам (см. рис. 3.18) реализованы серийно выпускаемые ИМС 10- и 12-разрядных ЦАП К572ПА1, К572ПА2 с временем преобразования, соответственно, 5 и 15 мкс.

ЦАП с резистивными матрицами R–2R, в отличие от ЦАП с двоично-взвешенными резисторами, не требуют широкого диапазона номиналов резисторов и поэтому легко реализуются полупроводниковой интегральной технологией. Матрицы R–2R занимают меньшую площадь на поверхности кристалла и позволяют снизить до минимума паразитные емкости и индуктивности резисторов и соединительных проводников. Однако такие преобразователи также имеют недостатки. Наиболее существенный – сильное влияние на точность преобразования нестабильности сопротивлений ключей в замкнутом состоянии, что снижает временную и температурную стабильность их характеристик.

Указанный недостаток в значительной степени удается устранить в схемах, где разрядные токи формируются с помощью активных элементов (генераторов тока). Одна из таких схем представлена на рис. 3.21.

Рис. 3.21. ЦАП с источниками тока на активных элементах

В этой схеме матрица R–2R используется для формирования двоично-взвешенных токов. Источники тока, выполненные на транзисторах Т0, T1, ..., Tn-1 вместе с эталонными резисторами Rэ вырабатывают одинаковые токи I, поступающие на выход с помощью ключей Кл0, Кл1, ..., Клn-1, управляемых входным кодом N. Эти токи подключаются к двоичному делителю, реализованному на резистивной матрице R–2R, который ослабляет их на выходе в соответствии с весовыми коэффициентами. Выходной ток ЦАП

Среди серийно выпускаемых ИМС, в которых разрядные токи формируются на основе генераторов тока, можно указать 12-разрядные ЦАП К594ПА1, К1108ПА1 с временем преобразования 3,5 и 0,4 мкс.

Отметим следующие преимущества ЦАП с токовыми ключами: высокое быстродействие, обусловленное малыми перепадами напряжений в коммутируемых цепях, малыми постоянными времени и ускоренным перезарядом паразитных емкостей; технологичность изготовления, обусловленная однородностью структуры.

До сих пор при описании ЦАП цифровая входная информация представлялась в виде чисел, не имеющих знака. Преобразование чисел со знаком имеет определенные особенности. Для представления цифровых кодов, принимающих положительные и отрицательные значения, используется несколько разновидностей кодов.

Различают преобразователи прямого кода в напряжение и дополнительного кода (ДК) в напряжение.

Преобразователь дополнительного кода в эталонное напряжение (ПДКН) – ЦАП, выполняющий преобразование исходного ДК в напряжение.

Для получения биполярного выходного сигнала, соответствующего рассматриваемым входным кодам, применяют различные выходные схемы ЦАП. Можно построить ЦАП с суммированием токов, учитывая особенность дополнительного кода, что старший разряд включен при преобразовании отрицательных значений и выключен при преобразовании положительных и нулевых (рис. 3.22, а). Здесь на инвертирующий вход операционного усилителя поступает ток старшего разряда In, а на неинвертирующий – токи всех остальных разрядов Iвых.

Рис. 3.22. Схема формирования биполярного выходного сигнала ЦАП:

а – для дополнительного кода; б – для прямого кода с учетом знака

В схеме рис. 3.22, б выходной ток ЦАП Iвых поступает на вход инвертирующего усилителя ОУ1 и преобразуется в напряжение противоположной полярности. Это напряжение подается на верхний контакт ключа и на вход следующего инвертирующего ОУ2, где преобразуется в напряжение той же полярности, что и на выходе ЦАП. В результате к верхнему и нижнему контактам ключа, управляемого знаковым разрядом входного кода an (прямой код со знаком), приложены одинаковые по амплитуде, но противоположные по знаку потенциалы. В зависимости от an, соответствующий потенциал подается на вход повторителя ОУ3.

• Назад
• Вперёд