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.

На рис.5.6 приведена простейшая схема преобразователя кода двоичного числа в пропорциональное ему напряжение, построенная по методу суммирования 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 разрядов числа S_i – S₀. Когда S_i = 1, то ключ замкнут, при S_i = 0 – разомкнут.

Рис. 5.6. Схема ЦАП с суммированием разрядных токов

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: 5.11)

Учитывая, что числа 1, 2, 4, 8 представляют собой веса разрядов двоичного кода, можно записать:

при 0 ≤ S ≤ 15. (5.12)

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.

Рис. 5.7. Схема ЦАП с трехпозиционными ключами

При изготовлении ЦАП 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 ЦАП с резисторной матрицей R – 2R приведена на рис. 5.8.

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. 5.8. Схема ЦАП с резисторной матрице R–2R

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. 5.9).

Рис.5.9. Схема ЦАП с электронными ключами на МОП-транзисторах

При поступлении высокого уровня кода на вход S₀ транзистор V₁ открывается, а V₂ закрыт. Потенциал истока V₂ 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 (r₀), которое включается последовательно с токозадающим сопротивлением 2R. В связи с этим точность определения токов зависит от падения напряжения на r₀.

Большую точность распределения токов в соответствии с весовыми коэффициентами и лучшую температурную стабильность удается получить при использовании генераторов стабильного тока (ГСТ) в каждом из разрядов ЦАП. Принцип построения ЦАП с токовыми ключами и с использованием ГСТ показан на рис. 5.10.

При поступлении на управляющий вход положительного напряжения входной диод открывается, а другой запирается. Постоянный ток течет через входной диод. Подав отрицательное входное напряжение, мы запираем входной диод, а второй открываем. Таким образом, напряжением на цифровых входах осуществляется коммутация разрядных токов, а суммарный ток I_общ операционным усилителем преобразуется в выходное напряжение. Через узел суммирования протекает постоянный ток. Если токи имеют соответствующие весовые значения, то выходное напряжение будет пропорционально заданному двоичному коду.

Рис. 5.10. Функциональная схема ЦАП с генераторами стабильного тока

Принцип токовых ключей используется преимущественно в ЦАП, реализуемых по биполярной технологии. Обычно ГСТ выполняют на биполярных транзисторах, а функцию переключения выполняют на диодах или многоэмиттерных транзисторах, включенных с общей базой, имеющих соотношение площадей эмиттеров 8 : 4 : 2 :1 соответственно. Различие по площади эмиттеров достигается изменением их числа при одинаковых размерах.