ЦАП с резистивной матрицей R-2R

В предлагаемой ниже схеме ЦАП используется резистивная матрица (рис. 4.5), вносящая следующие положительные свойства. Первое заключается в том, что используются всего два номинала сопротивлений резисторов: R и 2R. Второе – нагрузка источника опорного напряжения (R_вх) не изменяется при любом числе последовательно включенных элементов матрицы и остается равной 2R. Третье – на выходе каждого элемента матрицы получается вдвое меньшее напряжение, чем на его входе.

Рис. 4.5

Схема 4-разрядного ЦАП с матрицей R-2R будет выглядеть, как показано на рис. 4.6.

Рис. 4.6

Выходое напряжение U_вых в приведенной выше схеме определяется равенством

U_вых = – R_ос∙Ι_Σ = –R_ос ∙ (I₃ + I₂ + I₁ + I₀),

а токи

I₃ = (U_оп / 2R) ∙ S₃;

I₂ = (U_оп / 4R) ∙ S₂;

I₁ = (U_оп / 8R) ∙ S₁;

I₀ = (U_оп / 16R) ∙ S₀.

После подстановки токов в исходное равенство и упрощения получим:

U_вых = – R_ос·(U_оп /16R)∙(8∙S₃ + 4∙S₂ + 2∙S₁ + 1∙S₀). (4.6)

Состояние ключа S_i (0 или 1)определяет вес каждого разряда в выходном напряжении.

Коммутация цепей резистивной матрицы выполняется не механическими устройствами, а электронными ключами, выполненными по схемам КМОП, ТТЛ или ЭСТЛ. Токовые ключи должны иметь высокое быстродействие и не вносить заметных погрешностей в разрядные токи за счет собственного сопротивления в открытом состоянии. Для преобразователей среднего и низкого быстродействия широко применяются ключи на КМОП транзисторах, имеющих к тому же малое потребление энергии. Ключи для быстродействующих ЦАП строятся на биполярных транзисторах.

Умножающие ЦАП

Рассмотренные выше принципы построения ЦАП для своей работы требуют внешний источник опорного напряжения и более того, чтобы выходное напряжение или ток изменялись пропорционально этому напряжению. Преобразователи, в которых нет встроенного источника опорного напряжения, и главное, что это напряжение может изменяться по любому закону, получили название умножающих ЦАП. Если на вход, куда обычно подключают опорное напряжение, подавать входное напряжение, то функцию преобразования можно рассматривать как умножение входного напряжения на цифровую дробь. Существует ряд схем ЦАП, в которых в качестве опорного напряжения должен использоваться внешний сигнал, а имеющийся внутренний источник опорного напряжения создает определенные помехи. В таких ЦАП, именуемых полными, внутренний источник опорного напряжения имеет отдельный вывод, а для подключения U_оп к резистивной матрице используется перемычка. В этом случае такие ЦАП могут использоваться как умножающие.