Для магистратуры / CMOS_IC

260

В этих схемах входные сигналы создают первоначальный разбаланс в узлах 1 и 2. При активации схемы подачей тактового импульса φ ее конечное состояние зависит от первоначального разбаланса.

Усилитель и регенеративная схема в составе компаратора могут быть раздельными, рис.6.7,а, и каждый из них многокаскадным, рис.6.7,б.

Рис.6.7. Компараторы, содержащие усилитель и защелку (а)

истатический триггер (б)

Всхеме на рис.6.7,б, переключение компаратора происходит по отрицательному фронту тактового импульса φ. Пока φ положительно входной сигнал усиливается только входным дифференциальным усилителем. Открытые транзисторы М5 и М6 удерживают потенциалы узлов А

261

и В ниже порога открывания инверторов. Защелка, питаемая через транзистор М13, обесточена. Выходной статический триггер сохраняет свое состояние. При понижении φ транзисторы М5 иМ6 начинают закрываться, а потенциалы узлов А и В возрастать, но с разной скоростью, определяемой входными сигналами компаратора. Одновременно происходит активация защелки за счет открывания транзистора М13. В некоторый момент начинается ее регенеративное включение и потенциалы узлов А и В начинают изменяться в противоположных направлениях. При достижении одним из них порогового напряжения открывания инвертора, начинается переключение выходного статического триггера.

262

Глава 7. Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) является устройством, преобразующим цифровой сигнал (двоичный код) в аналоговый сигнал, рис.7.1.

Рис.7.1. Условное обозначение ЦАП

ЦАП фактически представляет собой декодирующее устройство, которое при подаче на его вход N-разрядного двоичного кода B (b1, b1,…bN) и опорного напряжения VR формирует на выходе аналоговый сигнал VO равный

В общем случае для реализации такого сигнала ЦАП содержит источник опорного напряжения VR, линейный преобразователь напряжения, набор ключей и выходной сумматор. Количество, конструкция ключей и способ управления ими определяется типом преобразователя. Обычно ЦАП работает в тактовом режиме синхронно с источником цифровых кодов. Он может формировать выходной сигнал за один такт (параллельный ЦАП) или за несколько тактов (последовательный ЦАП).

Источник опорного напряжения в ЦАП может быть внешним. Такие ЦАП в соответствие с (7.1) позволяют осуществлять перемножение сигналов и их называют перемножающими.

7.1. Параллельные ЦАП

Параллельные ЦАП допускают реализацию на основе: резистивного делителя; суммирования взвешенных токов, суммирования взвешенных зарядов.

Применяют и комбинацию этих способов.

263

ЦАП с линейным делителем. Содержит 2N+1 последовательно соединенных одинаковых резисторов, рис.7.2. Такой делитель будучи подсоединен к источнику VR формирует весь набор требуемых напряжений. Цифровой код в соответствие с (7.1) определяет какое напряжение должно быть передано на выход и замыкает соответствующий ключ (ключи). Для управления ключами используют либо древовидный N- разрядный дешифратор, соединяющий каждый из 2N узлов делителя с выходным усилителем, рис.7.2,а, либо 2N ключей, управляемых отдельным дешифратором, рис.7.2,б.

Рис.7.2. Параллельный ЦАП с резистивным делителем:

а – со встроенным дешифратором; б – с внешним дешифратором

Достоинством таких ЦАП является идентичность используемых резисторов. Главный недостаток – ограниченное быстродействие, поскольку входная емкость усилителя перезаряжается через суммарное сопротивление цепочки большого количества резисторов.

ЦАП с двоично-взвешенным суммированием. Содержит N

резисторов, величины которых пропорциональны степеням двойки и столько же ключей, рис.7.3,а.

264

Рис.7.3. ЦАП с резистивным суммированием: а – с двоичным взвешиванием; б – типа R-2R

Управление ключами производится непосредственно цифровым

кодом.

Подсоединение резисторов к инвертирующему входу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью, позволяет просуммировать токи с высокой точностью. В данном варианте использованы двухпозиционные ключи, что сохраняет постоянным ток, потребляемый от источника опорного напряжения.

Такой ЦАП содержит меньше элементов, чем линейный, но он предъявляет очень высокие требования к точности резисторов старших разрядов. Разброс сопротивлений не должен превышать величину сопротивления резистора младшего разряда.

ЦАП типа R-2R. Содержит делитель из N одинаковых резисторов с резистивными отводами с вдвое большими сопротивлениями, которые через двухпозиционные ключи подсоединяются к суммирующему усилителю, рис.7.3,б.

В таком делителе на каждой секции делителя напряжение снижается вдвое (поскольку эквивалентное сопротивление оставшейся части делителя равно сопротивлению секции – R).

Достоинство ЦАП R-2R – одинаковые резисторы (резистор 2R может состоять из двух резисторов R). Тем не менее, требования к их точности выше, чем у ЦАП с резистивным делителем.

266

размером (шириной) канала. Из-за неизбежного разброса параметров МОП точность задания токов невелика. Но МОП транзисторы позволяют использовать подстройку, аналогично Gm-C фильтрам.

Принцип настройки генератора тока показан на рис.7.6.

Рис.7.6. Принцип настройки генераторов тока:

а– фаза настройки; б – рабочая фаза

Вфазе настройки φ1 сток и затвор транзистора генератора тока подсоединены к источнику опорного тока IR, при этом на затворе установится потенциал, обеспечивающий ток IR. В рабочей фазе φ2 (сток транзистора) генератора тока подключается к сумматору токов, а на затворе со-

храняется предыдущее напряжение, так как ключS1 разомкнут. Если потенциал входа сумматора выше VSS+VG–Vt, транзистор в режиме насыщения и его ток равен IR

Погрешности параллельных ЦАП. Погрешность (статическая ошибка) ЦАП представляет собой разность между фактическим выходным сигналом и идеальным, описываемым формулой (7.1). Обычно стремятся согласовать погрешность с разрешающей способностью ЦАП, так чтобы она не превышала половины наименее значащего разряда ±1/2LSB. Другими словами, допустимая погрешность выходного напряжения ЦАП не должна превышать

В погрешность ЦАП вносят вклад все его компоненты: источник опорного напряжения, линейный преобразователь напряжения, набор ключей и выходной сумматор. Их доля зависит от конкретной реализации ЦАП. Так у умножающих ЦАП источник напряжения вообще внешний, в ЦАП со сложением токов вклад ключей минимален.

Погрешность выходного сумматора можно минимизировать за счет большого коэффициента усиления ОУ, для этого он должен быть много больше 2N.

267

Наибольшее внимание, особенно при высокой разрядности, приходится уделять влиянию разброса параметров элементов линейных преобразователей (резисторов, конденсаторов, генераторов тока) на погрешность ЦАП.

Рассмотрим два предельных случая резистивных ЦАП: линейный, рис.7.2,б, и двоично-взвешенный, рис.7.3,а. Будем считать, что они построены на основе одинаковых элементарных резисторов со среднеквадратичным отклонением от номинала σR.

Анализ характеристик преобразования таких ЦАП показывает следующие особенности.

В обоих случаях ошибка смещения определяется ОУ и поддается коррекции (см. гл.6).

Характеристика преобразования линейного ЦАП монотонна, поскольку при увеличении входного кода на единицу младшего разряда происходит добавка одного элементарного резистора к цепи резисторов. Дифференциальная нелинейность DNL зависит от одного резистора, т.е. σDNL= σR. Интегральная нелинейность INL максимальна в средине диапа-

зона преобразования и при независимых отклонениях σINL 2N2−1 σR .

Характеристика преобразования двоично-взвешенного ЦАП немонотонна, поскольку при увеличении входного кода на единицу младшего разряда могут измениться несколько значений разрядов, подключающих разные цепочки элементарных резисторов.

Интегральная нелинейность INL максимальна в средине диапазона преоб-

разования и не отличается от INL параллельного ЦАП σINL 2N2−1 σR . Дифференциальная нелинейность DNL также максимальна в средине диапазона и вдвое превышает интегральную, поскольку вычитаются две не-

зависимые величины, т.е. σDNL 2N2 σR .

Вдинамике проявляется как инерционность элементов ЦАП, так

ирассогласование их работы во времени. Первая приводит к дополнительным динамическим ошибкам, связанным с переходным процессом и может описываться временем установления. Второе может привести к появлению выбросов у выходного сигнала. Это особенно проявляется у ЦАП с двоично-взвешенными коэффициентами. При смене входного двоичного кода ключи переключаются не одновременно, что может приводить к ложным выбросам на выходе ЦАП.

Появление выбросов продемонстрировано на рис.7.7. На входе ЦАП в некоторый момент времени код 011 изменяется на код 100. Если все ключи АЦП переключаются одновременно, то и величина выходного сигнала изменяется с 3 на 4, рис.7.7,а.

268

Рис.7.7. Выходной сигнал параллельного ЦАП: а – без выброса; б – с провалом; в – с выбросом

Если ключ старшего разряда размыкается (в момент t1) раньше замыкания ключей младших разрядов (в момент t2), то на выходе наблюдается снижение выходной амплитуды до 0, рис.7.7,б. При противоположной ситуации – амплитуда на выходе на некоторое время вырастает до 7 – на выходе наблюдается выброс, рис.7.7.в.

Для исключения выбросов необходимо использовать специальные меры защиты (дополнительную синхронизацию по выходу, ограничение скорости нарастания выходного сигнала и др.).

Кроме того, в выходном сигнале могут присутствовать наводки от других сигналов: внешнего окружения, цепи питания, тактовых импульсов. Для их подавления применяют обычные методы снижения помех: экранирование, стабилизация питания, уменьшение внутрисхемных паразитных связей.

7.2.Последовательные ЦАП

Впоследовательных ЦАП преобразование двоичного N- разрядного кода в аналоговую величину производится за несколько тактов. Последовательные преобразователи обычно проще параллельных, поскольку одни и те же цепи используются в одном сеансе многократно. Особенно важно, что у последовательных ЦАП меньше количество прецизионных аналоговых элементов, определяющих точность преобразования. За это приходится платить меньшим быстродействием.

269

Количество тактов для одного преобразования может быть связанно как с разрядностью кодов, например N или 2N, так и с полосой полезного сигнала. Последовательные ЦАП могут непосредственно преобразовывать как сам двоичный код (обычно разряд за разрядом), так и с промежуточным преобразованием двоичного кода в иной (широтноимпульсный, частотно-импульсный, случайный).

Поразрядные последовательные ЦАП. Поразрядные последо-

вательные ЦАП реализуются на достаточно простых ПК-схемах. Принцип их работы основан на управляемом кодом накоплении опорных зарядов, величина которых пропорциональна степеням двойки. Такие ЦАП могут преобразовывать двоичный код, начиная с младшего или старшего разряда. В первом случае опорный сигнал на каждом шаге преобразования должен возрастать, а во втором уменьшаться в два раза. Можно вместо опорного сигнала изменять на каждом шаге накопленную величину. Рассмотрим такие варианты.

Преобразователь, производящий деление пополам накопленного заряда, допускает выполнение на пассивных элементах, рис.7.8.

Рис.7.8. Последовательный ЦАП с преобразованием от младшего разряда к старшему.

Для его работы требуется трехфазная система неперекрывающихся тактовых импульсов (φ1, φ2, φ3) и импульс начальной установки (разряда конденсаторов) φ0. При поступлении на его вход значения очередного разряда b на конденсаторе С2 накоплен некоторый заряд Q, а конденсатор С1 разряжен (фазой φ3). При нулевом значении b во время фазы φ1 С1 останется разряженным, а при единичном – зарядится до опорного потенциала VR. Во время фазы φ2 конденсаторы соединены вместе и (выходное)

накопленный заряд делится пополам, а добавка к нему либо отсутствует (b=0), либо равна VR/2. Таким образом, вклад ранее поступивших разрядов двоичного кода в выходное напряжение ослабляется по степеням двойки, т.е. на такой ЦАП необходимо подавать двоичный код, начиная с младших разрядов.