1.4.1 Цап со взвешивающей резистивной матрицей

В простейшем случае для получения эталонных источников тока I₀2ⁱ можно к источнику напряжения U_ref подключить ряд резисторов, сопротивления которых пропорциональны весовым коэффициентам входного кода (см. рисунок 5б). Такие резисторы называют взвешенными. Так как из логики работы ОУ вытекает равенство U_a = U_ь = 0, то токи резисторов схемы будут обратно пропорциональны их сопротивлениям

_{Ii = UREF 2}ⁱ_{/R=Ii 2}ⁱ _,

где ,

и для выходного напряжения устройства справедливо выражение (1).

Недостатком такого решения является широкий диапазон из­менения сопротивлений взвешенных резисторов, используемых для формирования разрядных токов. К тому же для обеспечения точ­ности преобразования абсолютные значения сопротивлений этих резисторов должны выдерживаться с прецизионной точностью. Так, в случае 12-разрядного ЦАП сопротивления разрядных рези­сторов должны отличаться в 2¹¹=2048 раз, что весьма трудно вы­полнить технологически, особенно при производстве ЦАП в виде интегральной микросхемы. Кроме того, данная схема накладывает достаточно жесткие требования на стабильность источника напряжения U_REF, так как его ток будет меняться в достаточно широких пределах в зависимости от подаваемого на вход ЦАП значения кода.

1.4.2 Цап с матрицей r-2r

Для преодоления недостатков ЦАП с взвешивающей резистивной матрицей часто используют резистивные R-2R матрицы, вы­полненные только на резисторах двух номиналов R и 2R.

В качестве примера рассмотрим приведенную на рисунке 6 схему 4-разряд­ного ЦАП с матрицей R-2R. Схема включает R-2R матрицу, че­тыре переключателя S3, S2, S1, S0 на МДП-транзисторы VT_3,1, …, VT_0,1 и VT_3,2, … , VT_0,2, четыре инвертора DD1.4, ... , DD1.1 и ОУ DA1 с цепью отрицательной обратной связи. На входы инвертора подаются сигналы разрядов вход­ного кода X₃, …, X₀, а на вход матрицы R-2R – напряжение от эталонного источника U_ref.

Рисунок 6 – Структурная схема 4-разрядного ЦАП с матрицей R-2R

Рассмотрим сначала работу матрицы R-2R. Для удобства пред­положим, что на вход ЦАП подан нулевой код (0000).

Тогда вы­ходными сигналами инверторов DD1.4,..., DD1.1 включены транзи­сторы VT_3,2, …, VT_0,2 переключателей S3,..., S0, и нижние выводы всех резисторов 2R матрицы подключены к общей шине.

Работа матрицы R-2R основана на том, что выходное сопро­тивление любой отсекаемой от нее правой части схемы (на рисунке 6 возможные места отсечения показаны пунктирными линиями), содер­жащей целое число R-2R звеньев определяется параллельным соединением двух цепей, сопротивления каждой из которых рав­но 2R. По­этому выходное сопротивление матрицы относительно узла «a» равно R. Аналогично сопротивление матрицы относительно узла «b» также равно R.

Согласно сказанному полное выходное сопротивление матрицы, измеренное относительно узла «d», равно R, и ток, отбираемый матрицей от источника U_ref,

Так как сопротивления ветвей матрицы, подключенных к точке «d» равны, то

Ток I₃, втекающий в узел «с», также разделится пополам, то есть и т.д.

Из приведенного анализа видно, что через переключатели S3, ... , S0 протекают токи, значения которых пропорциональны ве­совым коэффициентам двоичного кода.

Если на входы некоторых инверторов поданы сигналы лог. 1, то в соответствующих переключателях S_i включены транзисторы VT_i1 и токи, пропорциональные весовым коэффициентам данных разрядов, попадают на инвертирующий вход ОУ. В этом случае, согласно принципу суперпозиции, для входного тока ОУ справед­ливо выражение (1), а для выходного напряжения усилителя – выражение (2).

В общем случае для b-разрядного кода можно записать

	(3)

_{Если на вход ЦАП подать максимально большое число (все разряды входного кода равны лог. 1), то из выражения (3) легко получить значение максимального напряжения на выходе ЦАП}

(4)

На практике для получения простой функции преобразования обычно делают величины R_ООС и R равными. В результате выражения (3) и (4) приобретают вид выражений (5) и (6) соответственно

	(5)
	(6)

Полученные выражения показывают, что в ЦАП рассматриваемого типа максимальное выходное напряжение всегда на 1ЕМР меньше опорного напряжения U_ref.

При выполнении рассмотренного устройства в виде интегральной схемы (ИС) из нее иногда исключают источник эталонного напряжения U_ref и ОУ. Это позволяет расширить функциональные возможности устройства. В частности, если U_ref изменяется по заданному закону, схема может быть использована в качестве умножающего преоб­разователя.

Точность и стабильность параметров устройства в основном зависят от точности выполнения и стабильности сопротивлений его резисторов. Резистор R_ooc=R обычно вводится в состав ИС. В самой схеме все рези­сторы выполнены в виде идентичных по геометрическим размерам областей, одинаково ориентированных относительно осей кри­сталла. В качестве материала для резисторов используют пленку поликремния, обладающую высокой стабильностью собственного сопротивления.

Погрешность выходных параметров также зависит от падений напряжения на транзисторах токовых переключателей S_i. Для компенсации этих погрешностей площади транзисторов выпол­няются пропорциональными протекающему через них току. Этим достигается равенство падений напряжения на токовых переклю­чателях всех разрядов.

1.5 АЦП

Основная задача при построении АЦП – это обеспечить квантование по уровню по заданному алгоритму. Рассмотрим некоторые возможные аппаратные реализации АЦП.