книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства
..pdfРис. 14.8. Структура ЦАП (а \ диаграмма работы (б) и переходная характеристика (в)
Результат суммирования токов можно представить как произведение эталонного тока /0 на двоичное число а = 22а2 + 2 *(Х| +2° <Хо.Полученный ток преобразуется с помощью ОУ в выходное напряжение:
и = - Ло/о(2 2 а2 + 2 1<Х| +2 0 ао ).
Следовательно, в момент подачи входного кода а2 <Х| OQустанавлива ется пропорциональное ему значение выходного напряжения и остается неизменным до смены кода через интервал времени Т (рис. 14.8,6). Для по лучения более гладкой кривой аналогового напряжения на выход ОУ под ключается формирователь сигналов (интерполятор), в качестве которого обычно используется низкочастотный сглаживающий фильтр.
Проходную характеристику и(а) рассмотренного преобразователя можно представить в виде ступенчатой прямой, описывающей зависимость совокупности значений выходной аналоговой величины Ц от значений вход ного кода а,. Ее графическим изображением можно считать характеристику АЦП (см. рис.13.7,а), у которой горизонтальные и вертикальные оси поменя лись местами. Следовательно, осуществляющие взаимно обратные преобра зования ЦАП и АЦП можно характеризовать идентичными параметрами.
На начальном этапе развития цифровых систем АЦП и ЦАП пре имущественно применялись в средствах измерения и для их описания ис пользовалась терминология, принятая в теории измерений. В качестве ос новных данных, отражаемых в нормативно-технической документации, служили точностные параметры: нелинейность статической проходной ха рактеристики, абсолютная погрешность в конечной точке шкалы и др.
Одним из важных параметров, характеризующих свойства преобра зования сигналов, является р а з р е ш а ю щ а я с п о с о б н о с т ь (или дискретность), определяемая как наименьшее изменение аналоговой вели чины и численно равная интервалу h (шагу квантования по уровню). Ш аг к в а н т о в а н и я , т. е. значение напряжения, соответствующее единице младшего разряда (ЕМР) двоичного кода, зависит от напряжения полной шкалы U и разрядности преобразователя п. Например, при преобразовании полной шкалы £/=10В в двенадцатиразрядный (п= 12) двоичный код полу чается шаг квантования и разрешающая способность h =2,5 мВ. В резуль тате ступенчатого изменения квантованного сигнала возникает зона неоп ределенности ± h/ 2 , называемая п о г р е ш н о с т ь ю к в а н т о в а н и я .
Аналоговые величины принято характеризовать динамическим диа пазоном их изменения в виде отношения максимального и минимального значений. Для АЦП максимальное значение определяется напряжением полной шкалы Umax=U, а минимальным можно считать разрешающую спо собность Umm=h. Динамический диапазон описывается соотношением
ОдБ = 201g(C/max/(/min)=201g(U/A) = 201g(U/A) = 201g2'’ = 6 п ,
из которого следует, что десятиразрядный преобразователь может обеспе чить динамический диапазон аналоговых сигналов £>дб= 60 дБ.
Проходные характеристики реальных преобразователей отличаются от идеальной ступенчатой линейной функции, приведенной на рис. 14.7,о, отклонением от линейности, смещением относительно начала координат, неравенством уровней. Степень совпадения реальной характеристики с идеальной определяет точность преобразования, количественно описывае мую соответствующими параметрами: погрешностью полной шкалы, по грешностью смещения нуля, погрешностями от нелинейности и др. Обыч но значения погрешностей выражаются в единицах младшего разряда h.
Инерционность переключающих элементов и наличие в схеме емко стей приводят к возникновению переходных процессов, которые могут быть источниками динамических погрешностей. Быстродействие преобра зователя (например, ЦАП) характеризуется переходной функцией, полу ченной при скачкообразном изменении входного кода от минимального до максимального значений (см. рис. 13.8,в). В качестве параметров приняты время нарастания tMза которое выходной сигнал изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения, и время переключения /п от момента изменения входного кода до достижения значения с заданной погрешностью.
Как элементы электронной техники (функционально завершенные микросхемы) АЦП и ЦАП характеризуются системой общепринятых для ИМС параметров: напряжениями источников электропитания и потреб ляемыми токами, входными и выходными напряжениями высокого и низ кого уровней, максимальной частотой преобразования и т.п. Набор пара метров должен при оговоренных допущениях полностью описывать работ) преобразователя в статическом и динамическом режимах.
Многообразие областей применения АЦП и ЦАП в сочетании с ши роким диапазоном требований к их параметрам привело к созданию ог ромного числа преобразователей, выполненных как в виде отдельных из делий, так и встроенных в цифровые системы блоков. Преобразователи от личаются принципами построения, структурой, элементной базой, техно логией изготовления и конструктивным исполнением. Выбор конкретной реализации определяется многими факторами, в том числе электрическими и эксплуатационными параметрами, точностными показателями и др.
Рассмотрение типичных способов построения преобразователей и их характеристик удобно начать с ЦАП, поскольку они являются блоками не которых АЦП.
Ц и ф р о а н а л о г о в ы е п р е о б р а з о в а т е л и , вырабатываю щие электрический сигнал (напряжение или ток), пропорциональный в моменты отсчетов значениям входной цифровой последовательности, предназначены в основном для сопряжения цифровых блоков с аналого выми преобразователями. На их основе строят также устройства перемно жения цифрового кода на аналоговый сигнал, поданный на вход опорного напряжения, и делители напряжения, коэффициенты передачи которых можно изменять программным способом
В весьма широкой номенклатуре разработанных и производимых ЦАП можно выделить несколько типичных структур, каждая из которых служит основой для построения многих разновидностей преобразователей, отличающихся основными параметрами (разрядностью, временем преоб разования, потреблением тока). Классификация ЦАП осуществляется по различным признакам:
•назначению и составу;
•выполняемым функциям и электрическим характеристикам;
•конструктивно-технологическим и эксплуатационным свойствам. Принципы функционирования ЦАП, основные свойства, параметры
испособы их построения взаимосвязаны. Существенное влияние на струк туру оказывает возможность ее реализации в виде ИМС с использованием конкретных технологических приемов. Базовые группы ЦАП определяют ся в соответствии с принципом действия, структурой и типом основных блоков (рис. 14.9).
Рис. 14,9. Основные группы ЦАП
Представленная в предыдущем разделе структура ЦАП прямого пре образования с параллельной подачей кода одновременно на все переклю чатели имеет ряд недостатков и ограничений на параметры. Одним из ос новных недостатков является формирование взвешенных эталонных токов с использованием прецизионных резисторов, сопротивления которых зна чительно различаются. Например, в восьмиразрядном ЦАП номиналы за дающих сопротивлений различаются в 128 раз. Если выбрать минимальное значение Rmin = R = 5 кОм, то требуется Rmax = 640 кОм. При этом резисто ры всех номиналов должны иметь одинаковые допуск и стабильность ха рактеристик. В полупроводниковой интегральной технологии изготовле ние таких элементов сопряжено со значительными трудностями.
На начальном этапе развития указанные ЦАП выполнялись в виде гибридных изделий. Матрица сопротивлений, источник опорного напря жения и операционный усилитель изготавливались по пленочной техноло гии. Весьма жесткие требования предъявляются в таких схемах и к полу проводниковым переключателям, которые должны иметь высокую ста бильность параметров и обладать малыми сопротивлениями в замкнутом состоянии. Наличие суммирующего ОУ и выходного формирователя нс позволяет обеспечить достаточно высокое быстродействие.
Для получения взвешенных эталонных токов была разработана схема последовательного деления напряжения опорного источника, требующие для своей реализации резисторы всего двух номиналов - R к 2R (рис.14.10)
Рис. 14.10. ЦАП с резистивной матрицей R-2R
При таких сопротивлениях продольных и поперечных резисторов потенциалы узлов 1, 2, 3 убывают пропорционально т. е. образуется последовательность £/оп, ^оп /2, £/оп /4. Токи в поперечных ветвях также образуют убывающий ряд с коэффициентом 2 4 В зависимости от положе ния ключей, управляемых разрядами двоичных чисел, токи поперечных ветвей направляются в суммирующий узел ОУ (при а9= 1) или замыкаются на корпус (при ар—0).
Тип применяемых ключей и технология изготовления оказываю! влияние на схемотехнические особенности и определяют параметры пре
образователя. Обычно переключатели выполняются с использованием МДП-технологии. При этом ключи в каждом разряде образованы парой МДП-транзисторов с каналом «-типа. Если а, = 1, то открыт правый транзи стор и разрядный ток идет к точке суммирования, при а, = 0 открывается левый транзистор, замыкающий ток на корпус. Реализация ЦАП полно стью в МДП-технологии сталкивается с трудностями создания стабильно го источника опорного напряжения (ИОН) и получения резисторов с дос таточно большими сопротивлениями. Типичные значения удельного со противления резисторов, формируемых в технологическом МДП-процессе, составляют примерно ЗОООм/D для поликремниевых и 10...100 0 M/D для диффузионных областей полупроводника. Резисторы с большими номина лами сопротивлений занимают значительные площади. При небольших значениях сопротивлений резистивной матрицы на погрешность начинают существенно влиять соизмеримые с ними нестабильные сопротивления ка налов переключательных транзисторов. Источник опорного напряжения и операционный усилитель часто выполняются по КМОП-технологии.
Очевидно, что схема также может быть реализована в гибридном исполнении, когда резистивная матрица, ИОН и ОУ представляют собой отдельную пленочно-полупроводниковую микросхему.
Точность и быстродействие ЦАП с резистивной матрицей типа R-2R можно повысить, используя источники тока на эмиттерных повторителях, выполненных по биполярной технологии. Источники взвешенных токов реализованы на транзисторах Т0, Ть Т2, Т3, базы которых имеют одинако вые потенциалы, задаваемые внешним источником {/0 (рис. 14.11).
Рис. 14.11. ЦАП с токовым выходом на биполярных транзисторах
С помощью того же источника и ОУ задается режим каскада на тран зисторе Ту, устанавливающего значение эталонного тока источников /0. Выходной ток преобразователя формируется как сумма взвешенных токов отдельных источников, коммутируемых переключателями Ки К2, К3, которые управляются разрядами входного «-разрядного двоичного кода а/.
' №, х = ( / о / 2 п) £ а , . 2 ; .
В каскад источника младшего разряда включены параллельно иден тичные транзисторы Т0 и Тн, что обеспечивает отношение 1:2 токов тран зисторов То и Т].
Токовый выход преобразователя исключает использование выходно го ОУ, который, как правило, ограничивает быстродействие ЦАП. Высокое быстродействие обеспечивают переключатели, выполненные по схеме кас када с эмиттерной связью биполярных транзисторов, работающих в нена сыщенном режиме переключения токов.
Цифроаналоговые преобразователи с токовым выходом реализуются также с использованием быстродействующих переключателей на МДГ1транзисторах с каналом w-типа. В источниках тока, изготовленных по МОП-технологии, в качестве элементов, задающих взвешенные значения токов, применяются сопротивления каналов нагрузочных транзисторов При этом с увеличением значения сопротивления необходимо пропорцио нально увеличивать площадь, занимаемую транзистором, что сопряжено с трудностями при реализации ЦАП большой разрядности.
Быстродействующие ЦАП с напряжением в качестве выходной вели чины могут быть построены с помощью схемы деления напряжения, реа лизованной по МОП-технологии. Из опорного напряжения Uon резистив ный делитель формирует эталонные напряжения U\ = £/0, U2 = 3£/0, ..., U2~ = 15 f/o, пропорциональные заданному кванту U^- Uor]/ 16. Через ступенча тый дешифратор на базе и-МОП-ключей, управляемых значениями разря дов a2aia0 входного кода, выбранное напряжение поступает на выход (рис. 14.12).
Рис. 14.12. Преобразователь с делением напряжений
Недостатками такой структуры ЦАП является наличие большого числа резисторов и невысокая точность их получения в МДП-технологии.
В некоторых приложениях допуск 2% на поликремниевые резисторы мож но считать приемлемым и использовать предложенную реализацию.
Широкое распространение получили ЦАП на основе коммутируемых конденсаторов, изготавливаемых по МДП-технологии. Основой таких пре образователей служит матрица конденсаторов, емкости которой удовле творяют соотношению Cj =2J (рис. 14.13).
Рис. 14.13. Параллельный ЦАП на коммутируемых конденсаторах
Принцип действия преобразователя основан на перераспределении зарядов в системе соединенных конденсаторов. Цикл преобразования со стоит из двух фаз. Вначале все переключатели установлены в левую пози цию и ключ Кс6 замкнут, что приводит к разряду всех конденсаторов. Во второй фазе ключ К& размыкается и на ключи подается код а преобразуе мого числа. При этом ключи К$9 ...9К0устанавливаются в соответствии со значениями разрядов кода числа. Если ад= 1, то ключ Kj переключается в правое положения, вызывая заряд соответствующего конденсатора от ис точника опорного напряжения Uon. При значении aç=0 переключатель ос танется в левом положении, обеспечивая нулевой заряд конденсатора. Суммарный заряд конденсаторов матрицы составит
q = а6 гопС = (23аз + 22ct2 + 2 ,aj + 2°Оо)UonC.
Такой же заряд получает конденсатор Со, включенный в цепь обрат ной связи ОУ. Схема на ОУ выполняет функцию преобразования заряда в напряжение, которое имеет вид
и вых= -д /С 0 = - и оп(С/С0)а.
Выходное напряжение определяется кодом числа и зависит от отно шения емкостей конденсаторов на входе и в обратной связи ОУ. Это явля ется несомненным достоинством ЦАП с коммутируемыми конденсатора ми, так как отношение емкостей конденсаторов, изготовленных в едином технологическом цикле, получается точным и стабильным. К недостаткам преобразователя следует отнести ограниченное время хранения информа ции вследствие разряда конденсаторов, а также сравнительно большую площадь, занимаемую на кристалле матрицей конденсаторов.
На коммутируемых конденсаторах просто и эффективно реализуется ЦАП с последовательным поразрядным введением кода (рис. 14.14).
Рис. 14.14. Схема последовательного ЦАП на переключаемых конденсаторах (а) и диаграмма его работы (б)
Схема ЦАП содержит конденсаторы С\ и С2, источник опорного н пряжения и коммутаторы, управляемые последовательностью внешних импульсов. Циклу преобразования предшествует процедура сброса, т. е разряда конденсаторов при замкнутом ключе ^Со-
Каждый такт преобразования одного разряда длительностью Т со держит две фазы: в первой фазе происходит запись значения очередно! о разряда числа в виде заряда конденсатора С\ при разомкнутом ключе К вторая фаза посвящена передаче полученных данных конденсатору С2 при замкнутом ключе К3 (ключи К\ и К2 при этом разомкнуты). Конденсаторы обычно изготавливают одинаковой емкости С\ = С2= С. При их соедине нии имеющийся заряд делится поровну q =( q ^ q 2)/2 и выравниваются напряжения £/вых =(Ul +U1)/2.
Входной код поступает последовательно, начиная с младшего разря да через интервалы времени Т, и управляет ключами К\ и К2 (при aq = 1 ключ К] замкнут и К2 разомкнут, а при ар= 0 - положение ключей проти воположно). Рассмотрим процесс формирования выходного напряжения заданного кодом аяа2 а, а0 (например, 1101), по интервалам:
1)при 0 < t/T < 1/2 имеем U\ = cioUon= £/оп и U2= 0, для 1/2 < t/T < 1 получим UBhlx = a0UoJ2 = U J2\
2)при 1 < t/T < 3/2 имеем U\ = aj Uon= 0 и U2= a0Uon/2 = UorJ2,
для 3/2 < t/T < 2 получим UBb]X= Uon(ai/2+ OQ/4) = U^/A;
3)при 2 < t/T < 5/2 имеем U\ = a2Uon= Uœ и U2- (aj/2+ ao/4)(/on= Uon/4, для 5/2 < t/T < 3 получим UBblx = L/0n(a2/2+ai/4+ ao/8) = 5L/on/8;
4)при 3 <t/T< 7/2 имеем U\ = а3и оп= U0Ï] и (У2 = (щ/2+ Oo/A)Uon = 56^/8, для 5/2 < t/T < 3 получим йвых= Uon(a3/2+a2/4+aj/8+ ao/16) = \3UolJ\6.
На этом процесс формирования выходного напряжения завершен. В общем случае выходной сигнал можно представить в форме
UB { V j W < h -23 +02 -22 +а, -2' +a0-2°)-(t/on/16)a. Разрядность преобразователя зависит не от структуры, а определяет
ся чувствительностью последующего усилителя. Достоинствами ЦАП яв ляются компактность и простота схемы, обеспечивающей монотонность характеристики. В качестве недостатков можно отметить некоторую слож-
Глава 14. Дискретно-аналоговые устройства
ность схемы управления. Следует отметить, что быстродействие последо вательных ЦАП значительно ниже, чем параллельных. Преимуществом ЦАЛ с коммутируемыми конденсаторами является их производство пол ностью по интегральной МДП-технологии.
Высокоскоростные компактные ЦАП производятся полностью с ис пользованием интегральной биполярной технологии. Безматричные ЦАП, не содержащие пассивных компонентов (резисторов, конденсаторов), строятся с использование делителей тока, реализованных на паре согласо ванных транзисторов (рис. 14.15).
Рис. 14.15. ЦАП на делителях тока
Стабильный ток опорного источника /о задает эмиттерные токи ра бочего Т2р и нагрузочного Т2н транзисторов, базы которых находятся под одинаковым потенциалом. В силу идентичности транзисторов их коллек торные токи равны половине тока эмиттера. Коллекторный ток рабочего транзистора Т2р принимается за эталонный ток старшего разряда. Коллек торный ток нагрузочного транзистора Т2н подается в эмиттеры каскада следующего разряда. Сформированный набор взвешенных токов, отли чающихся сомножителем 2 \ поступает на выход через коммутатор, кото рым управляет входной кодовый сигнал D. Для обеспечения высокого бы стродействия преобразователя коммутатор реализуется по схеме балансно го каскада на биполярных транзисторах, которые работают в ненасыщен ном режиме.
Наряду с ЦАП в виде отдельных конструктивно завершенных ИМС в электронной аппаратуре применяются устройства, использующие преобра зование кодовой последовательности в сигнал с широтной модуляцией импульсов и последующее выделение квазипостоянной составляющей с помощью ФНЧ. Схема широтно-импульсного преобразователя (ШИП) реа лизована на регистре памяти (RG), двоичном счетчике (СТ), цифровой схеме сравнения (К), /^-триггере (ТТ) и генераторе импульсов (ГЙ) ста бильной частоты/ (рис. 14.16).
2R9
Рис. 14.16. ЦАП с преобразованием кода в сигнал с ШИМ
Преобразователь может работать с числами, представленными в па раллельном и последовательном двоичных кодах. Входной сигнал в виде параллельного кода поступает на вход а регистра и сохраняется в форме выходного параллельного кода Q на время интервала преобразования. Вы ходные коды счетчика, ведущего подсчет импульсов ГИ, подвергаются по разрядному сравнению цифровым компаратором с кодом, хранящимся и регистре. При совпадении кодов компаратор вырабатывает импульс, сбра сывающий триггер в нулевое состояние. В результате на выходе формир) - ется импульс, длительность которого определяется кодом входного числа t„ = a/f Обратный переход триггера в единичное состояние происходит при полном заполнении счетчика емкостью N в момент T ~ N /f. В этот мо мент производится смена входного кода, после чего процесс преобразова ния повторяется.
Полученная последовательность модулированных по длительности импульсов с периодом повторения Т, содержащая спектр модулирующею сигнала, поступает на ФНЧ, полоса пропускания которого выбрана с уче том спектра получаемого аналогового напряжения и2Скорость преобразо вания определяется постоянной времени ФНЧ.
Преобразователь может быть использован при подаче последова тельного кода числа на вход D регистра. При этом преобразование осуще ствляется в два этапа. На первом этапе производится занесение последо вательного кода в регистр, т. е. преобразование последовательного кода в параллельный. На втором этапе повторяется описанная выше процедура преобразования параллельного кода в аналоговое напряжение.
Приведенная схема преобразователя обычно применяется в микро процессорных системах с встроенной функцией преобразования выходно го кода в ширину импульса.
Важную часть ЦАП составляет цифровой интерфейс, т. е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками циф ровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ под ключения ЦАП к источнику входного кода, например микропроцессор\ или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют и на форму кривой сигнала на выходе ЦАП. Так, неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя может приводить к появлению узких выбросов напряже