2. Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

31

связь для любого момента времени t, определяется соотношением х(t)=Nti ∆x± δxi, где ∆x — шаг

квантования по уровню (аналоговый эквивалент единицы младшего разряда кода); δxi - погрешность преобразования.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. 2.2 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифроаналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:

•По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения

•По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода

•По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные

•По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия

2.1.Параллельные ЦАП

2.1.1.ЦАП с cуммированием весовых токов (с двоично-взвешенными сопротивлениями)

ЦАП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями (рис. 2.3) состоит из следующих компонентов:

1)n ключей, по одному на каждый разряд, управляемых преобразуемым двоичным кодом N;

2)матрицы двоично-взвешенных резисторов; источника опорного напряжения Uоп;

3)выходного операционного усилителя, с помощью которого суммируются токи, протекающие через

двоично-взвешенные сопротивления, для получения аналогового выходного сигнала Uвых пропорционального цифровому коду.

Регистр, который обычно является внешним устройством по отношению к ЦАП, вырабатывает двоичный код N, состоящий из n двоичных разрядов:

Uвых

Рис. 2.3. ЦАП с двоично-взвешенными сопротивлениями

Каждый i-й разряд управляет ключом Si который подключается к инвертирующему входу ОУ, когда ai = 1, или к общей шине, когда ai = 0. Сопротивления резисторов, соединенных с ключами, таковы, что обеспечивается пропорциональность протекающего в них тока двоичному весу соответствующего разряда входного кода. Сопротивление резистора в младшем разряде имеет значение R, сопротивление следующего резистора R/2 и т. д. до сопротивления резистора в старшем разряде, значение которого R/2n-1. ОУ включен по схеме инвертирующего суммирующего усилителя, следовательно выходное напряжение определяется как

Максимальное выходное напряжение имеет место, когда все разряды примут значение равное 1. Номиналы сопротивлений в младшем и старшем разрядах отличаются в 2n-1 раз и должны быть

в соответствии с рис. 2.5.

Поскольку в любом положении переключателей Sk они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление Rвх=R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Согласно рис. 2.4, выходные токи схемы определяются соотношениями:

Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей Si соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать опорное напряжение из широкого диапазона, в том числе и различной полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от Uоп линейно (см. (2.7)), преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими (MDAC).

В рассмотренной схеме ЦАП используется токовый режим работы суммирующего элемента, т.е. ОУ выполняет суммирование токов. Несложно видеть, что выходной ток Iвых определяется как

34

двух последовательно включенных регистров RG1 и RG2, позволяющих записывать и хранить цифровую информацию, а также управлять аналоговыми переключателями тока (RG2). Это делает данную

токами. Особенно это важно для ключей старших разрядов. Например, в 10-разрядном ЦАП AD7520 (MAX7521 – 1474.pdf) ключевые МОП-транзисторы шести старших разрядов сделаны разными по площади и их сопротивление R0 нарастает согласно двоичному коду (20, 40, 80, … , 640 Ом). Таким способом уравниваются (до 10 мВ) падения напряжения на ключах первых шести разрядов, что обеспечивает монотонность и линейность переходной характеристики ЦАП. 12-разрядный ЦАП 572ПА2 имеет дифференциальную нелинейность до 0,025% (1 МЗР).

ЦАП на МОП ключах имеют относительно низкое быстродействие из-за большой входной емкости МОП-ключей. Тот же 572ПА2 имеет время установления выходного тока при смене входного кода от 000...0 до 111...1, равное 15 мкс. 12-разрядный DAC7611 фирмы Burr-Braun имеет время установления выходного напряжения 10 мкс. В то же время ЦАП на МОП-ключах имеют минимальную мощность потребления. Тот же DAC7611 потребляет всего 2,5 мВт. В последнее время появились модели ЦАП рассмотренного выше типа с более высоким быстродействием. Так 12-разрядный AD7943 (1389.pdf) имеет время установления тока 0,6 мкс и потребляемую мощность всего 25 мкВт. Малое собственное потребление позволяет запитывать такие микромощные ЦАП прямо от источника опорного напряжения. При этом они могут даже не иметь вывода для подключения ИОН, например, AD5321.

Примерами ЦАП рассматриваемого типа являются также MAX5480 (1784.pdf), AD7524 (1297.pdf),

AD7533 (1299.pdf), AD7542 (1306.pdf).

Основные схемы включения

1) Как видно из (2.9), выходное напряжение ЦАП при включении внешнего ОУ (рис. 2.4) пропорционально произведению дробного значения входного кода N и опорного напряжения Uоп:

n−1

∑ai 2i

Таким образом ЦАП можно использовать в качестве умножителя двух сигналов: цифрового и аналогового. Малая зависимость сопротивления открытого ключа на МОП-транзисторе от амплитуды и направления протекающего тока (линейный участок выходной характеристики) в КМОП-ЦАП позволяет изменять Uоп по амплитуде и знаку в пределах -17…17В. Если вторую функцию подать в цифровом виде на входы разрядов a9…a0, то на выходе ЦАП будет сигнал пропорциональный произведению

35

аналогового и цифрового сигналов (перемножающий ЦАП). Таким образом с помощью основной схемы включения (рис. 2.4) можно реализовать двухквадрантное умножение. При этом используется двуполярный источник сигнала, подключаемый ко входу опорного напряжения Uоп и обычный n-разрядный двоичный код. Реальная схема двухквадрантного перемножителя на основе MAX5480 и внешнего ОУ приведена на рис. 2.8, б.

Рис. 2.8. Структурная схема ЦАП MAX5480 (a) и схема двухквадрантного перемножителя на ее основе (б)

Рассмотренное свойство умножающего ЦАП используется также для усиления аналогового сигнала с переменным коэффициентом, когда коэффициент усиления аналогового сигнала модулируется входным цифровым кодом (усилитель с программируемым коэффициентом передачи). При этом усиливаемый аналого-

вый сигнал подается на вход Uоп (Vref).

2) Умножающий ЦАП также может быть использован и для деления входного аналогового напряжения на число.

Для этого его охватывают цепью отрицательной обратной связи (рис. 2.9).

R1

Uвх

Рис. 2.9. Устройство деления аналоговой величины на код

3) До сих пор при описании ЦАП цифровая входная информация представлялась в виде чисел, не имеющих знака. Обработка чисел со знаком имеет определенные особенности. Обычно двоичные числа с любым знаком представляются с использованием дополнительного двоичного разряда. Например, с помощью 8 разрядов можно представить числа в диапазоне -128…+127 (дополнительный код). При вводе чисел в дополнительном коде в ЦАП путем прибавления 128 сдвигают этот диапазон до отрезка 0…255. Числа большие 128 при этом считаются положительными, а числа меньшие 128, – отрицательными. Среднее значение 128 соответствует нулю. Такое представление чисел, имеющих знак, через положительные числа называют сдвигом двоичного представления. Прибавление 128 можно очень