23. Цап с суммированием и делением напряжений. Структуры и свойства.

c суммированием напряжений

имеют как правило трансформаторные схемы, но есть резистивные ЦАП в микроэлектронном виде.

Общее сопротивление в порецессе преобр-я не меняется и равно 256R. Благодаря источнику опорного напряжения на каждом резисторе создается стабильное падение напряжения. При помощи ключей, управляемых в соответствии с кодом a_j, определенная сумма напряжений, падающих на резисторах цепи, поступает на выход, формируя выходной сигнал C_j. Если в качестве нагрузки используется усилитель с большим R_ВХ, то ЦАП обеспечивает высокую линейность. Погрешность вносимая неидеальностью ключей, компенсируют подгонкой верхнего и нижнего резисторов цепи(лазерной). Такие ЦАП недороги, имеют хорошие характеристики, имеют гарантированнную монотонность характеристики преобразования.

ЦАП с параллельным делителем

П редставляют собой последовательное соединение двух управляемых проводимостей и . Здесь , а ;

При =1 резистор R_m подключен к шине источника опорного напряжения, а R_m^/ отключен от земельной шины. Если внутренним сопротивлением источника можно пренебречь, то выходное сопротивление параллельного делителя постоянно при любом значении j и равно

24. Цап с суммированием токов. Основные схемы и их особенности.

По способу формирования выходных сиг-в ЦАП делятся на с ∑U и с ∑ токов. Последние имеют более высокое быстродействие и точность

Р ассмотрим общую схему таких ЦАП. В этой схеме n оп-х ист-в тока I₁,I₂…I_n. Входной код b₁,b₂...b_n управляет ключами S₁,S₂...S_n, которые или подключают источники тока к нагрузке, или замыкают их накоротко. При этом если b_i=0, то соответствующий источник тока в работе схемы не участвует. Если же b_i=1, то соответствующий источник тока подключен к нагрузке. Общий ток равен ∑токов оп-х ист-ов, для которых b_i=1. U на выходе будет:

С использованием источника Uоп и матрицй R-2R.

П ри любом положении ключей Rвх матрицы всегда = R, а следовательно, ток, втекающий в матрицу, равен I₀=E₀/R. Далее он последовательно делится в узлах по двоичному закону. Так как нагрузкой резистивной матрицы является ОУ, охваченный ООС через Rос, то его Rвх=0 с высокой точностью

Н а матрице взвешенных резисторов. ЦАП состоит из матрицы двоично-взвешенных резисторов, сопр-ия которых определяются по формуле R_i=R2^i-n;

Так как прямой вход ОУ соединен с общим проводом, то за счет ООС U в суммирующей точке А также равно 0, (резистивная матрица работает в закороченном режиме). Когда на цифровые входы ЦАП подан двоичный n-разрядный цифровой код, то каждый цифровой сигнал b_i, управляет переключателем. Результирующий ток

25. Расчет погр-тей - цап с токовым выходом (на примере к572па1). Методы увеличения точности цап. Типовые схемы включения к572па1.

572ПА1- 4-хвкадратн ЦАП с токов выходом множительн типа функ-но неполн, ктр явл копией мномит ЦАП фирмы AD с более худш хар-ки. Примем, что Uоп ЦАП фиксировано и =10,24В. Шаг квантования h=10,24/1024=10мВ. Ток, потребляемый от ИОН при базовом номинале R=10кОм, равен 1мА.

Возможн наводки на выводы ЦАП и фирмен формуляр рекомендует:

1. использ батарейное питание

2. при задании вх кода использ ТТЛ микросх с общ коллектором -> управл сигнал будет увеличив по мах возможн ТТЛ уровню. По цепям питания ЦАП необх-мо повесить многоступенчат фильтр, как миним из 2-х конд-ров: электролит 10 мкФ, керамическ ВЧ 0,1 мкФ

Простой анализ стр-ры показывает, что ист-ками погр-тей ЦАП м/т выступать:

1) вариация сопрот-я ключа Rзамкн в разрядах; 2) наличие остаточного напряжения Uостат; 3) неточности начальной установки, темпер-ный и времен дрейфы номиналов резисторов матрицы типа R-2R; 4) изменение значения Uоп ИОНа; 5) влияние изменения нагрузки Rн ЦАПа; 6) конечное время переключ-я ключей и рез-ров в разрядах ЦАПа; 7) шумы квантования. Анализ погр-тей проведем на примере КМОП ЦАПа с токовым выходом на резистивной матрице типа R-2R К572ПА1 при миним токе от Uоп =1мА, через замыкающ крайн правый резистор матрицы протекает ток 1 мкА -> мах возможн U_{выхЦАПа} при вх коде 11…11 = Uоп - h

ЦАП содержит на одной подложке размерами 2х2 мм² 10 двухполярных КМОП ключей, обращенную матрицу R-2R, к-рая включена двоичным делителем тока, суммирующий ОУ А1 и резистор обратной связи Rос.

С учетом инверсии суммирующ точки ОУ Uвых=-КАUоп h и (Uвых=-КА(Uоп)–h) – при суммирующ передаче. Номинал базового сопр-я матрицы составляет 10 кОм. Абсолютное значение темпер-го коэф-та. сопр-я ТКС большое: 350·10^-6 1/°С. Ветвление токов в резистивной матрице идет по двоичному з-ну, поскольку кажущееся характеристическое сопр-е Rs направо и налево от каждого узла при числе узлов ≥8 одинаково и равно 2R. Поэтому правее точки М деление идет строго пополам в каждом узле. Если принять, что опорное напряжение = 10,01 В, то через последний замыкающий резистор 2R будет протекать ток, равный 1мкА. Этот резистор так же находится на подложке и подключается к земле. Сумма токов вых шин ЦАП I_вых1 и I_вых2 всегда постоянна и равна значению тока отбираемого от источника Uоп, токи являются взаимодополняющими, т.е. увелич-е I_вых1 ведет к такому же уменьш-ю I_вых2, и наоборот. Вых. напряжение ЦАПа формируется с помощью преобр-ля ток-напряжение на ОУ А1. при этом U_вых ЦАП = -R_ос·I_вых2. Значение Uоп может меняться в пределах ±17 В, т.е. U_оп м/б больше Uпит ЦАП, но вых. напряжение ЦАП огранич-ся Uпит ОУ.

1. Рассмотрим влияние вариаций сопр-я. Для выравнивания падения U на ключах и получ более точного соотношения R-2R использ технолог прием подгонки R каналов ключей по 2-му з-ну. Пусть один из рез-ров матрицы в старшем разряде имеет сопр-е 2R+Rзамкн, а номиналы остальных рез-ров, даже в замкнутом состояние ключей равны R и 2R. В старшем разряде добавка Rзамкн имеет наибольш знач, т.к. там наибольш разрядные токи. Соотв-но наибольш влияние Rзамкн будет на главном переходе А=100..0→А=011..1. Для того, чтобы скорректировать влияние Rзамкн сопр-е каналов искусственно корректируется по сопр-ю в старших 6-ти разрядах по 2-му коду, для более младш разрядов такая подгонка не делается, т.к. на задан лин-ть х-ки преобраз это уже не влияет. В этом случае падение напряжения на каналах КМОП ключей с учетом значений разрядных токов получаются одинаковыми и равны по 10 мВ. При включенном СЗР и выключенных остальных разрядных ключах изменение токов в СЗР составит -0,0005 мА. Это очень малое значение тока, но на рез-ре Rос ОУ А1 этот ток создает падение напряжения 5 мВ, это чуть больше 0,5 h при Uоп=10В, если сменить входной код, то разница получается уже двойная и изменение Uвых ЦАП при смене кода составит уже 10 мВ, т.е. шаг квант-я, а это соотв-ет погр-ти в 0,1% (систематич. погр-ть).

2. Рассмотрим влияние U_остат: U_остат оказывает наибольшее влияние на младших разрядах, разрядные токи на старших разрядах.

3. Подгонка номиналов рез-ров матрицы, осущ-ся лазерным скрайбированием алмазн ножом или пескоструйка. Точность при серийном производстве составляет 10^-4%, вносимая погр-ть этим источником зависит от разрядности ЦАП и составляет для 10 разрядов при базовом номинале 10кОм 0,001%

4. Uоп определяет значение шага квант-я и шкалу самого ЦАП. ИОН д/н иметь миним знач температ-го коэф-та Uоп и миним R_вых, миним времен дрейф и обеспечив сравнительно большие опорные токи без измен-я значения Uоп. ИОН обяз-но д/б малошумящими. В их качестве нельзя использовать стабилизаторы U, в ктр всегда присутствует собственная генерация за счет петли автоматического регулирования.

5. Влияние Rн. ЦАП имеют суммирующий ОУ. Качество этого делителя и его скоростные хар-ки во многом опр-ют свойство ЦАП в целом: напряжение Ucм0 практически полностью опр-ся ОУ. Погр-ть коэф-та передачи преобр-ля ток-напряжение на основе ОУ опр-ет погр-ть шкалы ЦАП. Скорость нарастания Uвых ОУ опр-ет шумы квант-я, частотные искажения, а на ч-тах смены входного кода, близких к предельным, еще и фазовые искажения ЦАПа. ОУ-потенциально неустойчивая схема и при опред-ных уровнях ч-т вх.сигнала он может подвозбуждаться (резко увел-ся время установл-я сигнала, появл-ся паразитные автокол-я с малой ампл-дой, снижается макс-ный уровень вых. напряжения). С учетом этих замечаний к суммирующим ОУ предъявл-ся след. треб-я: 1) смещение нуля ОУ должно стремиться к нулю и в любом случае не превышать 1/4h; 2) Uпит ОУ д/б больше макс-но возможного вых. Напряжения ЦАПа на 1,5-2В; 3) скорость нарастания вых. напряжения ОУ д. б. примерно на порядок выше, чем возможная скорость измен-я вых. напряжения ЦАПа. Ориентировочно можно пользоваться временем установления ЦАПа: 1/tуст_ЦАП=f_{1 ОУ}*10; 4) TKUcм_ОУ->0, TKΔIвх_ОУ->0; 5) на входах ОУ присутствуют паразитные емкости ключей. Это приводит к потенциальной неуст-ти ОУ на высоких ч-тах. Для ЦАПа К572ПА1 С_{паразитная} замкнутых разрядных ключей составляет 120пФ, а разомкнутых – 37пФ.

6. Аналоговые ключи имеют конечные вр срабатывания не= 0, ктр зависит от знач сигнала коммутируем U_пит в дан момент вр, тем-ры, внешн радиоактивн излуч и также разные времена tвкл и tвыкл. Поэтому при работе ЦАПа наблюдаются мом-ты несинхронного срабатывания ключей: младшие разряды уже переключились на включение, а старшие разряды на выключение еще не сработали. При быстр смене вх кода ЦАПа кл не м/т срабатывать одновременно ->: 1. появл выбросов; 2. высокая дифференц нелин-ть; 3.перех проц перехода ступенек м/т неуспевать заканчиваться; 4.возможн появл паразитн автоколебаний в отдельн разряд за счет паразитн вариактивности и схемы.

7. 7.Все эти эффекты наз шумы квантования и в целом опред необход-е соотношение с/ш, принято что для ЦАП и АЦП оно д/о составл 6,02+1,7дб Шумы квант-я возникают при близких к предельным ч-там смены вх. кода и явл-ся принципиально неустранимым фактором. Именно шумы квант-я ограничивают макс-но возможную ч-ту смены вых. кода. Как и выбросы, шумы квант-я явл-ся случайными источниками погр-ти, и вызванные ими погр-ти не нормируются.

Если принять что погр-ть ЦАПа=6 и кажд из источн погр-ей раб независимо, след-но основн погр-ть как случ величина д/б представл норм з-ном распределения, а сложение погр-й д/о вестись по геометр з-ну.

Рассматривая указанные погр-ти как случ. вел-ны, можно, просуммировав их по з-ну суммы квадратов, получит погр-ти на уровне 0,1% или же на уровне шага квант-я. Основная схема включения ЦАП К572ПА1: