4.6. Цап с коммутируемыми конденсаторами (цап с конденсаторами с перераспределением зарядов)

ЦАП с коммутируемыми конденсаторами имеет ряд преимуществ по сравнению с ЦАП на тонкопленочных резисторных матрицах.

Процесс лазерной подстройки тонкопленочного резистора увеличивает стоимость системы, а значение сопротивления тонкопленочного резистора может изменяться при механическом воздействии на корпус микросхемы.

Преимущество ЦАП с коммутируемыми конденсаторами состоит в том, что их точность и линейность определяется, прежде всего, качеством фотолитографии, которое, в свою очередь, зависит от площади конденсаторных пластин, емкости и соотношения емкостей конденсаторов. Кроме того, для достижения высокой точности и линейности, конденсаторы малой емкости могут подключаться параллельно основным конденсаторам или отключаться от них в соответствии с алгоритмом автокалибровки без необходимости применения лазерной подгонки.

Согласование температурных характеристик коммутируемых конденсаторов может быть лучше, чем , чем и обеспечивается высокая температурная стабильность.

Простой 4-х разрядный ЦАП представлен на рис. 4.10.

Рис. 4.10. ЦАП с коммутируемыми конденсаторами.

Схема состоит из 4х конденсаторов ,,,, взвешенных по двоичному закону, т.е. в общем виде приn-разрядном ЦАП i-й разряд имеет емкость:

.

Также в схеме имеется дополнительный конденсатор, емкость которого равна емкости конденсатора младшего разряда, т.е.

.

Преобразователь имеет n аналоговых разрядных переключателей , дополнительно переключатель, и переключатель- определяющий режим работы ЦАП.

Для выдачи напряжения , пропорционального кодуиспользуется операционный усилительОУ.

Работа схемы осуществляется в 2 этапа:

1. Ключ замыкается на землю, т.е. закорачивается на землю входОУ. На ключи подается код, при этом, если в-м разряде код 1, токонденсатор подключается к напряжению, если, токонденсатор подключается к «земле». Таким образом на конденсаторахбудет заряд. Дополнительный конденсатор нижним выводом всегда подключен к «земле», т.к.всегда.

2. Размыкается ключ и все разрядные ключизамыкаются на землю, т.е. все конденсаторы соединяются параллельно. При этом общий суммарный заряд конденсаторов будет составлять

.

При этом напряжение на конденсаторах, а следовательно, на входе ОУ будет

,

где: .

4.7. Цап с суммированием единичных приращений. Цап с шим и чим

В ЦАП этого вида входной код вначале преобразуется в промежуточную аналоговую величину, которая затем преобразуется в требуемый входной сигнал.

Промежуточной аналоговой величиной может быть длительность (ШИМ) или частота следования импульсов (ЧИМ).

Цап с шим.

Схема имеет вид представленный на рис. 4.11 и работает следующим образом (см. рис. 4.12).

На счетчик ТТ емкостью импульсов поступает только частота, при заполнении счетчика вырабатывается импульс переноса, который поступает наRS-триггер и устанавливает его в единичное состояние. Преобразуемый код записывается в регистрRG и с него поступает на вход Х цифрового компаратора. На вход Y цифрового компаратора поступает периодически линейно изменяющийся код счетчика .

Рис. 4.11. ЦАП с ШИМ.

Рис. 4.12. Работа ЦАП с ШИМ.

В момент равенства кодов цифровой компаратор вырабатывает импульс и устанавливаетRS-триггер в «0». Таким образом, на триггере вырабатывается импульс, длительность которого пропорциональна .

На время RS-триггер открывает ключ и на входФНЧ поступает , после закрытия ключа подается уровень «0». В результате на входеФНЧ выделится среднее напряжения, равное

.

Погрешности.

Погрешности фильтра и ключей ине влияют на общую погрешность. Медленное изменение тактовой частоты также не сказывается на погрешности.

1. Т.к. выходное напряжение линейно зависит от , то. Также сказывается напряжение смещения нуляи разность входных токовОУ

.

2. В ЦАП имеется еще одна погрешность – от пульсаций выходного напряжения на выходе ФНЧ. Максимальная амплитуда этих пульсаций будет при коде .

Рис. 4.13. Погрешность от пульсаций выходного напряжения на выходе ФНЧ.

В этом случае к сглаживающей емкости фильтра при каждой работе ключей иприкладывается перепад напряжений с амплитудой, где- полный размах пульсаций (см. рис. 4.13).

Под действием этого перепада емкость разряжается за время на величину.

В общем виде известно для заряда емкости

На интервале можно записать

.

Отсюда можно записать: .

Тогда:

.

Отсюда

.

Вершина – коэффициент сглаживания. Т.е. можем записать, что.

При и разложениив рад Тейлора, получим:.

Т.к. , то, и. Далее, отнесяи считая, что пульсацию можно считать, то

.

3. Динамическая погрешность ЦАП определяется постоянной времени ФНЧ. После смены кода значение выходного напряжения устанавливается только после нескольких циклов преобразования

,

где – интервалы времени между сменой кода.

Отсюда , где- заданная динамическая погрешность.

Таким образом, максимальная приведенная погрешность преобразователя равна:

Далее, подставив значения составляющих, получим:

Рассмотренный ЦАП с ШИМ может работать с погрешностью (11 двоичных разрядов) при времени преобразования в несколько миллисекунд.

Достоинством схемы является ее простота, минимальное количество аналоговых элементов.

Недостатком схемы является ее малое быстродействие.