Контрольные вопросы

1. В чём заключается основное свойство резисторной матрицы R–2R?

2. Какой результат можно ожидать при проведении эксперимента в соответствии с п. 5, если номиналы всех резисторов будут уменьшены на 1%?

3. Подсчитайте веса в процентах единицы младшего разряда для ЦАП с резисторной матрицей на 8 и 12 разрядов.

3. При проведении исследований по данной лабораторной работе максимальное выходное напряжение преобразователя равно 9.375 В. Здесь нарушается требование к диапазону стандартного вы­ходного напряжения в 0 – 10 В. Что необходимо изменить в схеме на рис. 1.3, чтобы обеспечить требования стандарта? Экспериментально проверьте ваши соображения.

4. Для заданных преподавателем комбинаций погрешностей _об, δ_ос, δ_д ЦАП рассчитайте величины погрешностей на технологический допуск номинала резисторов, температурную погрешность сопротивлений и нестабильность источника опорного напряжения.

Лабораторная работа № 2. Исследование анАлогового мультиплексора

Целями работы являются: изучение студентами элементной базы аналоговых ключей, исследование их характеристик, построение и проверка работы схемы аналогового мультиплексора.

Краткая теория

Аналоговый мультиплексор представляет собой схему, которая осу­ществляет подключение в произвольном порядке не более чем одного из нескольких различных аналоговых входов к одному аналоговому выходу. Обращение к каждому индивидуальному входному каналу обычно осуществляется с помощью цифрового адресного кода, который подаётся на цифровые входы устройства.

В основе построения аналогового мультиплексора лежит примене­ние аналогового ключа – схемы, действующей как замкнутый или разомкнутый контакт, пропускающий или не пропускающий аналоговый сигнал между двумя точками электрической цепи [1, 2]. То или иное положение ключа обычно задаётся цифровым способом с использованием адресных буферов и схем дешифрации.

В качестве переключаемых элементов в аналоговых ключах почти всегда используют полевые транзисторы, так как симметричность их конструктивного исполнения обеспечивает одинаково нормальную работу транзистора, если истоковый и стоковый выводы меняют местами. Поэтому полевые транзисторы одинаково работают при переключении положительных и отрицательных сигналов. А биполярный транзистор пропускает сигнал только одной полярности. Второе принципиальное преимущество полевых транзисторов – отсутствие напряжения сдвига по постоянному току. Ключ на полевом транзисторе имеет только последовательное сопротивление между входом и выходом и не имеет каких-либо связанных с переходами потенциалов, вносящих сдвиг по постоянному току. Когда полевой транзистор включен, последовательное сопротивление мало (около 10-100 Ом); выключенный полевой транзистор имеет сопротивление порядка 10¹⁰ – 10¹¹ Ом.

При построении ключевых схем из двух типов полевых транзисторов предпочтение отдаётся МОП-транзистору (или МДП-транзистору) по сравнению с полевым транзистором с управляемым p-n–переходом. Расшифровка равнозначных аббревиатур: структура МОП – металл затвора, окисел плёнки SiO₂ , полупроводник Si кристалла; структура МДП – металл затвора, диэлектрик из плёнки окиси SiO₂, полупроводник Si кристалла. На рис. 2.1 показана струк­тура n –канального МОП-тран­зис­то­ра. В толще пластины монокристалла крем­ния Si с проводимостью p созданы области истока И и стока С с проводимостью n, границы которых совпадают с проекциями затвора З на кристалл кремния.

Рис. 2.1. Структура n-канального МОП-транзистора

Поверхность пластины покрыта изолирующим слоем окиси кремния SiO₂, в котором выполнены сквозные отверстия под выводы соответствующих об­ластей. В углублении в изолирующем слое SiO₂ находится металлическая пластина зат­вора З. При отсутствии потенциала на зат­во­ре электрическая цепь исток-сток разомкнута, поскольку в пластине кремния между этими областями отсутствуют электроны, выполняющие функции носителя электри­ческого тока для цепи И-С. Сопротивление цепи И-С в пластине кремния велико. Для замыкания электри­ческой цепи в кристалле между истоком и стоком необходимо подать на затвор З положительное напряже­ние относительно подлож­ки. Тогда под действием положительного электри­ческого поля «зат­вор-подложка» электроны из области р под действием силы Кулона будут притя­гиваться в приповерхностный слой пластины под затвор между облас­тями «исток-сток», в результате чего здесь будет сформи­рован канал проводимо­сти n, соединяющий об­ла­сти И-С с той же про­водимостью. Во внешней цепи И-С потечёт элек­трический ток. Отрицательный потенциал на затворе усиливает эффект запирания цепи «исток-сток», привлекая в приповерхностную зону дырки.

Наличие изолирующего слоя под затвором пре­дотвращает проникновение в цепь «исток-сток» сигнала управляю­щего напряжения, ис­поль­зуемого для изме­не­ния состояния прибора. Для МОП-транзисторов могут быть получены большие напря­жения обратного пробоя, чем у полевых транзисторов с p-n переходом. Далее для ключевых применений целесообразнее использовать МОП-транзисторы с обогащением, то есть повышенным содержанием атомов примеси в монокристалле кремния, поскольку приборы с обогащением при отсутствии управляющего напряжения разомкнуты.

Отдельный n–канальный или p–канальный МОП-транзистор с обога­щением может работать как аналоговый ключ. На рис. 2.2 приведены схемы для снятия выходных характеристик МОП-транзисторов c обогащением. Для n–канального транзистора (рис. 2.2, а) положительное напряжение от источника регулируемого напряжения подаётся на затвор прибора, а подложка соединяется со стоком, то есть с выводом отрицательного потенциала. Для p–канального транзистора (рис. 2.2, б) на затвор подаётся отрицательное напряжение, а подложка соединяется с истоком, то есть с выводом положительного потенциала. Выходные характеристики (рис. 2.3) показывают, что каждый прибор для пропускания тока между выводами исток и сток требует задания напряжения на затворе U_зс больше порогового и составляющего приблизительно 2 В (n-канальный прибор имеет положительное пороговое напряжение «затвор-сток», тогда как для p-канального прибора необходимо отрицательное напряжение). Отдельный МОП-прибор лучше всего работает в качестве аналогового ключа при прохождении сигнала одной полярности.

а б

Рис. 2.2. Схемы для снятия выходных характеристик МОП-транзисторов:

а – n-канального; б – p-канального

а б

Рис. 2.3. Выходные характеристики МОП-транзисторов:

а – n-канального; б – p-канального

Переключение биполярных анало­говых сигналов выполняется наилучшим образом при исполь­зо­ва­нии комплементарной ключевой схе­мы, изображённой на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Схема ключа на МОП-транзисторах с дополнительной

симметрией (комплементарная ключевая схема)

Эта схе­ма может пропускать сигнал любой по­лярности благодаря параллельной структуре. Ключ замыкается при подаче на затвор n–канального при­бора положитель­ного управляющего напряжения, превышающего порого­вое, и на затвор p–канального прибора – отри­цательного напряжения, которое больше порогового. Большие положительные аналоговые сигналы будут проходить через n–канальный при­­бор, а отрицательные сигналы – через p–канальный при­бор. Сопротивление «исток-сток» каж­дого прибора является функцией по­ляр­но­сти и амплитуды входного сигнала. Од­нако, поскольку схема яв­ля­ется комплементарной, при снижении сопротив­ления одного канала сопротивление другого кана­ла прибора увеличивается. В результате эф­фек­тивное сопро­тив­ле­ние в парал­лельном соединении оста­ётся отно­сительно неизменным для биполярных входных сигналов с лю­бой амплитудой.

На рис. 2.5 представлена функциональная схема 4-канального аналогового муль­типлексора на КМОП-транзисторах. Любой канал может быть опрошен прос­тым заданием его цифро­вого адреса в виде двухразрядного двоичного кода.

Дополнительный циф­ро­вой вход, называемый раз­ре­шающим входом, позво­ляет управлять вклю­чени­ем или отклю­чением всех 4 каналов, что требуется в системах, имеющих более одного мультиплексора.

Все три цифровых входа совместимы с логическими уровнями транзисторно-транзисторной логики ТТЛ. Но сигналы ТТЛ в блоке 1 с помощью внутренних буфера и схемы смещения уровня переводятся в уровни напряжений КМОП-тран­зисторов. Если при использовании положительной логики подавать все логические нули на цепи А1, А0 и логическую единицу на разрешающий вход (Разр.), то будет открыта только первая схема И-НЕ блока дешифратора 2.

На выходе этой схемы возникает логический 0, который будет приложен к МОП-транзисторному ключу с каналом р-типа в блоке ключей мультиплексора 3. Кроме того, выходной сигнал И-НЕ инвертируется и в виде логической 1 поступает на МОП-транзисторный ключ с каналом n–типа. Оба МОП-транзистора открываются и подключают вход 1 к общему выходу.

Рис. 2.5. Четырехканальный аналоговый мультиплексор

Полная принципиальная схема входного буфера, схемы сме­ще­ния уровня и адресного дешифратора аналогового мультиплексора по­казаны на рис. 2.6 и рис. 2.7 соответственно. Схема на рис. 2.6 по­стро­ена на базе КМОП-транзисторов. Сигнал адресного входа ТТЛ-уров­ня по­да­ётся на первый каскад схемы и параллельно на четвёртый каскад. Выходной сигнал первого каскада, амплитуда которого регулируется величиной V_оп, подаётся на третий каскад преобразования. Выходной сигнал с разделённой нагрузки третьего каскада вторым, пятым и шестым каскадами преобразуется в сочетание двух противофазных сигналов, управляющих работой седьмого и восьмого каскадов КМОП-транзисторов. Выходные противофазные сигналы с последних каскадов V+ и V– соответственно для логической 1 и логического 0 через инверторы, собранные на 9 и 10 каскадах, подаются далее на дешифратор.

Схема адресного де­шиф­ратора (рис. 2.7) сос­тоит из элементов

И-НЕ и ин­верторов. Если на входы всех после­до­вательно соеди­нённых n–ка­нальных МОП-транзисторов по­­дан потен­циал V+, соответ­ствующий логической 1, то все эти по­левые транзисторы откры­ва–

ются, устанавливая че­­рез выходной сигнал инвер­тора аналоговый ключ (рис. 2.4) данного канала в сос­тоя­ние «включено».

Рис. 2.6. Входной буфер и схема смещения уровня аналогового мультиплексора

Рис. 2.7. Дешифратор адреса аналогового мультиплексора

Од­на­ко если на один или несколько циф­ро­вых входов подан потенциал V-, соответствую­­щий логичес­кому 0, по крайней мере, один полевой n–каналь­ный МОП-тран­зис­тор будет закрыт. В этом случае откроется, по меньшей мере, один из параллельно включенных p–канальных МОП-транзис­торов и изменит полярность сигнала на выходном форми­рователе ключа, устанав­ливая аналоговый ключ (рис. 2.4) в состояние «выключено».