Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Принципы построения ЦАП
|
|
Существует несколько схем, являющихся базой для построения многих разновидностей схем различных классов. Для создания схем ЦАП часто используются принцип суммирования токов, пропорциональных весу разрядов цифрового кода, и принцип деления напряжения. В соответствии с этим различают ЦАП с токовым выходом и выходом по напряжению. Для преобразования выходного тока ЦАП в напряжение используются операционные усилители.
На рис. 5.1 приведена простейшая схема преобразователя кода двоичного числа в пропорциональное ему напряжение.
Рис. 5.1. Схема ЦАП с суммированием разрядных токов
Сопротивления резисторов выбирают такой величины, чтобы при замкнутых ключах через них протекали токи, соответствующие весу разрядов двоичного кода. Ключ должен быть замкнут тогда, когда в соответствующий разряд поступает логическая единица.
Таким образом, состояние ключей должно определяться кодом числа Si – S0. Когда Si = 1, то ключ замкнут, при Si = 0 – разомкнут.
Благодаря тому, что операционный усилитель (ОУ) через резистор R ОС охвачен петлей отрицательной обратной связи, узел суммирования токов остается под нулевым потенциалом. При этом исключается взаимное влияние составляющих токов при суммировании. Выходное напряжение представляется в виде:
Учитывая, что числа 1, 2, 4, 8 представляют собой веса разрядов двоичного кода, можно записать:
Как видно из этого выражения, 
линейно зависит от 
При этом опорное напряжение может изменяться по знаку и величине в широких пределах (от − 10 до +10 В) без изменения пропорциональности 
Поэтому такие ЦАП называются умножающими.
Недостатком рассмотренной схемы является сильное влияние на предельную рабочую частоту паразитных емкостей, сопровождающих интегральные резисторы, особенно больших номиналов, из - за коммутации токов от нулевого до установившегося значения (или наоборот) при изменении состояния ключей. (Большие емкости долго перезаряжаются через резисторы с большим сопротивлением). Этот недостаток устраняется введением 3-позиционных ключей.
Рис. 5.2. Схема ЦАП с трехпозиционными ключами
В схеме рис. 5.2 паразитные емкости не перезаряжаются, поскольку токи через токозадающие резисторы протекают постоянно и лишь переключаются на землю (при Si = 0), или на вход ОУ, представляющий собой фиктивную землю по сигналу (при Si = 1)
5.3. ЦАП с резисторной матрицей R – 2R
Резисторные матрицы определяют точность любого преобразователя. В ЦАП, изготовленных по методу интегральной технологии, наибольшие трудности представляет реализация высокоточных резисторов, сильно различающихся по величине. Поэтому задание весовых коэффициентов ступеней часто осуществляют посредством деления напряжения с помощью резисторной матрицы типа R – 2R, которая содержит резисторы только двух номиналов. Схема ЦАПс резисторной матрицей R – 2R приведена на рис. 5.3.
Рис. 5.3. Схема ЦАП с делителем напряжения на резисторной матрице R – 2R
Особенностью данной матрицы является то, что каждая ступень делителя нагружена на одинаковое сопротивление, равное 2R. (R + 2R || 2R = R + R = 2R). Это сопротивление состоит из двух резисторов: резистора горизонтального R и двух вертикальных резисторов 2R, соединенных параллельно (2R || 2R = R). В результате получается делитель напряжения на 2, и половина напряжения первой ступени подается на следующую ступень и т. д. Таким образом, каждое звено резисторной матрицы типа R – 2R делит опорное напряжение на 2. При этом в одинаковых по величине параллельных резисторах, равных 2R, токи соседних звеньев матрицы различаются в 2 раза, чем и обеспечивается получение разрядных коэффициентов 1, 2, 4, 8 при преобразовании двоичного кода в пропорциональное ему напряжение.
Рис. 5.4. Схема ЦАП с электронными ключами
на МОП–транзисторах
В практических схемах ЦАП механические ключи заменяются электронными ключами на полевых транзисторах с индуцированным затвором. Трехпозиционные ключи реализуются на двух транзисторах, один из которых управляется через инвертор (рис. 5.4). При поступлении высокого уровня на вход S 0транзистор V 1 открывается, а V 2 закрыт. Потенциал истока V 2 равен нулю, поэтому для его запирания достаточно низковольтного логического сигнала с выхода инвертора, независимо от величины напряжения источника опорного напряжения. Недостатком электронного ключа является конечная величина его выходного сопротивления в открытом состоянии (r 0), которое включается последовательно с токозадающим сопротивлением. В связи с этим точность определения токов зависит от падения напряжения на r 0.
ЦАП в схемотехническом отношении представляет довольно сложное устройство, включающее в себя элементы цифровой и аналоговой электроники. Аналоговые элементы определяют такие основные показатели ЦАП, как точность и быстродействие. Применение интегральной технологии, широко использующей методы температурной компенсации, замены пассивных элементов (резисторов) активными (транзисторами) обеспечивает улучшение качественных показателей интегральных ЦАП.
В настоящее время отечественной промышленностью выпускается несколько типов интегральных ЦАП, отличающихся по конструктивному, технологическому исполнению, функциональному составу, точностным и скоростным параметрам. В качестве примера приведем краткую характеристику интегральной микросхемы ЦАП К572 ПА1.
Рис. 5.5. Упрощенная функциональная схема МС ЦАП К572 ПА1
ЦАП К572 ПА1 – это микросхема 10-разрядного ЦАП умножающего типа. Все элементы ЦАП выполнены на одном кристалле, размещенном в герметичном металлокерамическом корпусе с 16 выводами. Упрощенная функциональная схема ЦАП приведена на рис. 5.5. В состав кристалла входят: прецизионная резисторная матрица R – 2R, электронные ключи на МОП транзисторах и выходные усилители – инверторы, обеспечивающие управление ключами от стандартных уровней цифрового сигнала. Для её функционирования необходимы внешние микросхемы источника опорного напряжения (ИОН) и операционного усилителя А1, а также источники питания выходных усилителей и операционного усилителя.
Микросхема выполнена по К-МОП-технологии. Её достоинствами являются: низкая потребляемая мощность, совместимость со стандартными ТТЛ и К-МОП-уровнями. К недостаткам относятся умеренное быстродействие и критичность ИС к пробою статическим электричеством в процессе монтажа и наладки.
Микросхема стабильна и надёжна в работе, что обеспечивается малой мощностью потребления и незначительным нагревом кристалла, и является универсальным структурным звеном для построения микроэлектронных ЦАП и АЦП.