ЦАП с суммированием весовых токов

Цифро-аналоговый преобразователь.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода.

На рис. 9.11 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам.

Рис 9.1

ЦАП с суммированием весовых токов

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2³=8, у третьего разряда – 2²=4, у второго – 2¹=2 и у младшего (МЗР) – 2⁰=1. Если вес МЗР I_МЗР=1 мА, то I_СЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I_{вых.макс}=15 мА и соответствует коду 1111₂. Очевидно, что коду 1001₂, например, будет соответствовать I_вых=9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 9.12.

Рис 9.2

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением 9.2.

(9.2)

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем:

DR / R=2^–k (9.3)

Из условия 9.3 следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде – 0,05% и т.д.

Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает рядом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Эти недостатки устранены в схеме представленой на рис. 4. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

Рис. 9.3. Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса

В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы постоянного импеданса. Основной элемент такой матрицы представляет собой делитель напряжения (рис. 9.13), который должен удовлетворять следующему условию: если он нагружен на сопротивление R_н, то его входное сопротивление R_вх также должно принимать значение R_н. Коэффициент ослабления цепи a=U₂/U₁ при этой нагрузке должен иметь заданное значение. При выполнении этих условий получаем следующие выражения для сопротивлений:

(9.4)

При двоичном кодировании a =0,5. Если положить R_н=2R, то

в соответствии с рис.9.13.

Поскольку в любом положении переключателей S_k они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление R_вх=R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Согласно рис. 9.13, выходные токи схемы определяются соотношениями

(9.6)

(9.7)

а входной ток

(9.8)

Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей S_k соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать опорное напряжение из широкого диапазона, в том числе и различной полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от U_оп линейно, преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими (MDAC).

Точность этой схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления R₀ ключей с разрядными токами. Особенно это важно для ключей старших разрядов.

ЦАП на МОП ключах имеют относительно низкое быстродействие из-за большой входной емкости МОП-ключей. Порядка 10-15 мкс. В то же время ЦАП на МОП-ключах имеют минимальную мощность потребления. Около 2,5 мВт.

Динамические параметры ЦАП относятся к изменению выходной величины при переключении входного кода (переходная характеристика). Анализ переходной характеристики усложняется конечным временем установления значения и наличием выбросов (glitch impulse) или, так называемых гличей. Глич определяется как площадь выброса выходного сигнала при переключении (рис.9.14). Причиной появления гличей является не одновременность переключения отдельных битов ЦАП и конечность времени переключения, причем худшей считается ситуация при замене максимального числа единиц младших разрядов единицей старшего (главный межкодовый переход 01..11->10..00).

Рис 9.4

Для уменьшения выбросов на выходе ЦАП можно установить устройство выборки и хранения (УВХ), который вводить в режим фиксации непосредственно перед очередной сменой кода, а выводить из фиксации уже после завершения выброса (рис.9.15). Это позволит значительно уменьшить результирующий коэффициент гармоник выходного сигнала ЦАП.

Рис 9.5

Время установления определяется, как время, за которое сигнал после выброса перестанет выходить за пределы определенной величины (в разной литературе — 1/2 или 1 от величины младшего разряда). Существует зависимость скорости нарастания, времени установления, величины гличей от параметров нагрузки. Паразитные емкости деталей схемы и емкость монтажа ухудшают эти параметры. Всплески выходного сигнала при изменении данных на входе, наводки тактовой серии также вносят искажения в выходной спектр.

Параметры ЦАП

При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала D(t) от 0 до 2N-1 через единицу младшего разряда (ЕМР) выходной сигнал U_вых(t) образует ступенчатую кривую. Такую зависимость называют характеристикой преобразования ЦАП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (рис. 9.16), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.

Рис 9.6