Принципы работы цифро-аналоговых преобразователей

Существуют различные варианты построения ЦАП, условно разделяемые по наличию в своем составе матрицы прецизионных резисторов. Эта матрица используется в работе двух основных групп Ц/А преобразователей, где выходной аналоговый сигнал формируется на основе:

а) суммирования токов (рис.3.2 а);

б) деления напряжения (рис.3.2 6).

Эти группы преобразователей получили наибольшее распространение в микросхемном исполнении. Среди безматричных Ц/А преобразователей упомянем только ЦАП с суммированием напряжений (рис.3.2 в). Однако, как видно из этого рисунка, для работы такого ЦАП необходимы N-гальванически развязанных источников напряжения, что является серьезным препятствием в использовании этого метода в микроэлектронике.

Рис.3.2. Структурные схемы ЦАП с матрицами: резисторов [(а) - для суммирования токов, (б) - для деления напряжения] и источников напряжений (в)

Наибольшее распространение в настоящее время получили ЦАП на основе суммирования токов, поэтому далее рассмотрим, главным образом, только такие преобразователи.

Цифро-аналоговые преобразователи по методу суммирования токов Базовая схема

В основе работы такого преобразователя лежит способность операционного усилителя (ОУ) в режиме инвертирующего усилителя суммировать входные токи (рис.3.3). Способность суммировать токи, во многом, определяется способностью схемы поддерживать в точке X напряжение виртуального нуля. Кроме суммирования входных токов ОУ производит преобразование их в напряжение. Такие устройства часто именуют как источник напряжения, управляемый током (ИНУТ)

Рис.3.3. Схема включения ОУ как сумматора токов

Теперь необходимо определиться с устройством, задающим входные токи с заданными пропорциями. Такое устройство будет подключаться ко входу ОУ. Понятно, что в качестве такого устройства будет использоваться набор (матрица) резисторов. На сегодняшний день наибольшее распространение получили два вида соединений резисторов в матрице, именуемых как матрица весовых резисторов и лестничная матрица R-2R. Рассмотрим их подробнее.

Матрица весовых (масштабирующих) резисторов

В случае, когда входные сопротивления, имеющие различные значения кратные двум, будут подключаться к одному источнику опорного напряжения, то снимаемое на выходе ОУ напряжение также будет кратно двум. Перебор всех возможных состояний ключей Z₀ - Z₃ (рис. 3.4 а), позволит получить 2⁴ = 16 различных значений напряжений на выходе ОУ, которые можно определить по формуле:

.

Рис.3.4. Схема ЦАП на основе матрицы весовых резисторов с ключами (а) и с переключателями (б)

Знак напряжения на выходе ОУ и знак опорного напряжения противоположны, что объясняется инвертирующей схемой включения ОУ. Размах выходного напряжения задается с помощью сопротивления R_N.

Естественное стремление разработчиков ЦАП к увеличению числа входных разрядов обнажает основной недостаток такой схемы: требования к разбросу номиналов возрастают по степенному закону. Так, разброс значений для самого наименьшего сопротивления будет определяться формулой . Это означает, что для резистора в разряде 2⁴ допустимый разброс составит 3% , а в разряде 2¹⁰ - 0.05%. Следует напомнить, что изготовление даже дискретных резисторов с точностью выше 0.1% требует от технологов огромных ухищрений, а размещение матрицы таких прецизионных резисторов на кристалле микросхемы представляет еще более сложную задачу. Поэтому в ЦАП с большим числом входных разрядов данная схема не применяется.

Данной схеме (рис.3.4 а) присущ еще один недостаток - пониженное быстродействие, связанное с непостоянством сопротивления нагрузки для источника опорного напряжения. Действительно, наличие внутреннего сопротивления у любого реального источника напряжения приведет к тому, что потребуется дополнительное время на установление заданного значения на выходе источника опорного напряжения после включения (отключения) какого-либо ключа. Этот недостаток можно преодолеть, если воспользоваться схемой с перекидными ключами (переключателями), как показано на рис.3.4 б. Любой перекидной ключ на этой схеме соединяет “свой” весовой резистор либо с общей нулевой точкой, либо с точкой виртуального нуля (мнимого заземления), и значит, что через него протекает постоянный по своей величине ток. Поэтому нагрузка для источника опорного напряжения будет постоянной, и определяться по формуле , где n - число входных разрядов.

Общим недостатком приведенных выше двух схем являются высокие требования к величине сопротивления ключа в открытом состоянии, которое должно быть меньше, чем (сопротивление наименьшего весового резистора). В микроэлектронике в качестве таких ключей можно применить либо биполярный, либо полевой транзистор. Возможности этих транзисторов не позволяют выполнить полностью все требования, предъявляемые к ним в этой схеме ЦАП (об этом ниже), поэтому такой способ используется только в быстрых преобразователях низкой точности.