1.3 Цифро-аналоговий перетворювач
Наступним блоком, що входить до мікросхеми має бути цифро-аналоговий перетворювач.
Архітектура сходового R2R ЦАП (resistor ladder) складається з паралельно включених резисторів з опором R і 2R. У ній використовується паралельна шина введення даних. В разі роботи з пристроями з послідовним інтерфейсом в багаторозрядних ЦАП застосовується вбудований перетворювач послідовної коди в паралельний. В будь-якому разі розфазування сигналів, викликане неузгодженням у часі спрацьовування перемикачів, приводить до генерації помилкових сигналів на виході.
Найбільш поширена архітектура перемножуючого сходового R2R ЦАП (Multiplying DAC – MDAC), в якій початок "ланцюга" приєднаний до зовнішнього джерела опорної напруги. З виходу його знімається струм, еквівалентний вхідному цифровому коду. ЦАП такої архітектури забезпечують висока вихідна напруга, високий дозвіл (16 біт), диференціальну і інтегральну нелінійності ±1 МЗБ. Що перемножують ЦАП сходового R2R-типа вимагають вживання зовнішнього операційного підсилювача. Час встановлення сигналу ЦАП цього типа менше 0,3 мкс, смуга пропускання може перевищувати 10 Мгц. Завдяки вживанню зовнішнього операційного підсилювача, що відповідає вимогам конструктора системи, що перемножують ЦАП знаходять широке вживання в контрольних пристроях з цифровим управлінням, промислових контролерах з програмованою логікою.
Проте в промислових системах частіше використовується зворотна сходова R2R-архітектура. У ЦАП цього типа залежно від вхідної цифрової коди 2R-ступени підключаються або до шини високого рівня опорної напруги VREF-H, або до шини низького рівня опорної напруги VREF-L. З його виходу знімається напруга, еквівалентна вхідному цифровому коду. Така архітектура досить проста у виготовленні. Як і перемножуючий ЦАП, зворотна сходова R2R-архитектура характеризується малими значеннями шуму, диференціальній і інтегральній нелінійності. Час встановлення сигналу дещо більше, ніж в того, що перемножує ЦАП.
Строкові ЦАП, як випливає з їх назви, складаються з послідовно включених резисторів з однаковим опором. Теоретично число резисторів визначає точність перетворювача. Так, у восьмирозрядному ЦАП з такою архітектурою використовується 256 резисторів, а для створення 16-біт перетворювача буде потрібно 65536 резисторів, які практично неможливо виготовити на одному кристалі, особливо з врахуванням сучасних вимог до малих габаритів, низької споживаної потужності і вартості електронних компонентів. Для розв'язки елементів резисторів і зовнішнього навантаження в строковому ЦАП передбачений вбудований вихідний операційний підсилювач. Споживана потужність ЦАП цього типа невелика. Вони відрізняються монотонністю, хорошою динамічною нелінійністю. Рівень помилкових сигналів, як правило, нижче, ніж в ЦАП інших типів. Проте строкові ЦАП поступаються сходовим ЦАП R2R-типу по шумових характеристиках, які залежать від імпедансу матриці резистора. Крім того, їх інтегральна нелінійність чутлива до топології схеми і залежить від узгодження резисторів. Для сучасних строкових ЦАП вона може складати ±4 МЗБ, що прийнятно для основних сфер їх застосування – портативного контрольно-вимірювального устаткування, замкнутих слідкуючих систем, систем управління виробництвом і пристроїв збору даних.
Дельта-сигма ЦАП відносяться до класу ЦАП передискретизації. Їх робота заснована на змінній щільності імпульсів. Такі перетворювачі при невеликій власній розрядності забезпечують чималу розрядність підсумкового перетворення. На ЦАП поступає імпульсний сигнал з постійною тривалістю імпульсів, але із змінною шпаруватістю, який формується за допомогою ланцюга негативного зворотного зв'язку. Ланцюг негативного зворотного зв'язку виконує функцію фільтру високих частот для шуму квантування. Для генерації сигналу з модульованою щільністю імпульсів може бути використаний дельта-сигма модулятор. Із збільшенням частоти передискретизації покращується придушення шумів квантування. Швидкодія дельта-сигма ЦАП досягає сотні тисяч відліків в секунду, розрядність – 24 біт.
Оберемо сходовий R2R ЦАП (рис. 1.4):
Рисунок 1.4 – Приклад сходового R2R ЦАП