экзаменационные вопросы и ответы / 45 ЦАП / ЦАП и

7

ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Все виды ЦАП можно условно подразделить на две группы: первая — ЦАП с прецизионными резистивными матрицами, вторая безматричная. В первой группе различают по способу формирования сигнала три типа схем: с суммированием токов, с делением напряжения, с суммированием напряжения (рис.1); однако в микроэлектронном исполнении применяются структуры только первых двух типов.

Рис. 1. ЦАП с резистивными матрицами:

а — с суммированием токов; б — с делением напряжений; в — с сумми­рованием напряжений

Из ИС второй группы пока можно назвать два типа ЦАП: с активными делителями тока и стохастический (рис. 2). Как первая, так и вторая группы ЦАП обладают своими достоинствами и недостатками, влияющими на характеристики прибора.

Основной характеристикой ЦАП является разрешающая способность, определяемая числом разрядов N. Теоретически ЦАП, преобразующий N-разрядные двоичные коды, должен обеспечить 2^N различных значений выходного сигнала с разрешающей способностью (2 N—I) ^-1. Абсолютное значение минимального выходного кванта напряжения определяются как предельным принимаемым числом 2 ^N—1, так и максимальным выходным напряжением ЦАП, по-другому называемым напряжением шкалы (шк). К примеру, при числе разрядов 12 количество независимых квантов (ступенек) выходного напряжения ЦАП составляет (2¹²—1) = = 0,0245%. Выбранное с помощью опорного источника напряжение шкалы (шк=10 В), разделенное на это число квантов, дает абсолютную разрешающую способность ЦАП:

Δ_шк=U_шк/(2ⁿ-1)=10³ мВ/(2¹² -1)=2,45 мВ

Отличие реального значения разрешающей способности от теоретического обусловлено погрешностями узлов и шумами ЦАП. Точность ЦАП определяется значениями абсолютной погрешности прибора, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью.

Абсолютная погрешность δ_пш представляет отклонение значения выходного напряжения (тока) от номинального (расчетного), соответствующего конечной точке характеристики преобразования (рис.2,в). Абсолютная погрешность обычно измеряется в единицах младшего значащего разряда (МЗР).Нелинейность при-бора δ_л характеризует идентичность минимальных приращений выходного сигнала во всем диапазоне преобразования и определяется как наибольшее отклонение выходного сигнала от прямой линии абсолютной точности, проведенной через нуль и точку максимального значения выходного сигнала. Значение нелинейности не должно выходить за пределы ±0,5 единицы МЗР.

Рис. 2. ЦАП без резистивных мат­риц:

а — с активными делителями токов; б — стохастический; в — передаточная характе­ристика ЦАП (/ — компаратор кодов; 2 — генератор случайных цифровых сигналов; 3 — триггер; 4 — активный делитель тока на 2; 5 — цифровые входы; 6 — аналоговый выход; 7 — образцовое напряжение; 8 — тактовый сигнал; А — линейность; В — не­линейность; С — немонотонность; D — вы­ходной сигнал; Е —прямая, соединяющая идеальные значения уровней выходного сигнала; δ_{п ш} — погрешность полной шкалы)

Дифференциальная нелинейность δ_лдиф характеризует идентичность соседних приращений сигнала. Ее определяют как минимальную разность погрешности нелинейности двух соседних квантов в выходном сигнале. Значение дифференциальной нелинейности не должно превышать удвоенное значение погрешности нелинейности. Если значение δ_{л диф} больше единицы МЗР, то преобразователь считается немонотонным, т. е. на его выходе выходной сигнал не может наращиваться равномерно при равномерном воз-растании входного кода. Немонотонность в некоторых квантах дает уменьшение выходного сигнала при нарастании входного кода.

Из динамических параметров наиболее существенными являются время установления выходного напряжения (или тока) и максимальная частота преобразования. Время установления t_уст -интервал времени от подачи входного кода до вхождения выходного сигнала в пределы наперед заданной зоны ошибки вокруг окончательного требуемого аналогового уровня. Максимальная частота преобразования f _прб— наибольшая частота дискрети-зации, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям. Работа ЦАП часто сопровождается специфическими переходными импульсами, которые представляют собой острые пики большой амплитуды в выходном сигнале, возникающие из-за разности времени открывания и закрывания аналоговых ключей в ЦАП. Особенно значительно выбросы проявляются, когда вместо нуля в старшем значащем разряде и единиц в младших разделах кода поступает единица в СЗР и код «все нули» в МЗР. Например, если входной код 011... 111 сменяется кодом 10... 000, а ключ старшего ЦАП открывается позже, чем закрываются ключи младших, то приращение выходного сигнала всего на одни квант может сопровождаться импульсом с амплитудой даже 0,5 U _шк .Длительность этого пика будет соответствовать запаздыванию смены состояния ключей.

Эволюция ЦАП из устройств на базе ИС в комплексные ИС (и далее в БИС) проходит поэтапно. На первом этапе разработчики РЭА конструировали ЦАП на базе наборов ИС: аналоговых ключей (серии К101, К124), тонко- и толстопленочных резистивных матриц (серии К301, К302), схем стабилизаторов, компараторов и операционных усилителей. Платы ЦАП, собранные из отдельных компонентов, отличались сложностью, были трудоемки в налаживании, часто требовали обслуживания .

Вместе с тем потребность в 8... 16-разрядный ЦАП в последнее пятилетие значительно возросла, поскольку широкое распространение получили МП вычислители.

Задача состояла в том чтобы иметь в комплекте интерфейсных БИС к МП также и БИС ЦАП (соответственно и АЦП). Здесь развитие шло следующими этапами. Во-первых, осваивались необходимые технологические процессы (особенно ионное легирование и лазерная подготовка номиналов резисторов), во-вторых, схемотехника ориентировалась на связь с МП. Чтобы помочь технологам повысить выход годных БИС, схемотехники стали применять аналоговые ключи опорных токов. Тем самым был открыт широкий фронт для применения самых технологичных КМОП структур.

Наиболее скоростные ЦАП имеют токовые аналоговые ключи. Поскольку сверхскоростной ОУ выполнить на этом же кристалле пока сложно, предпочтение отдается внешним дискретным ОУ, включаемым для преобразования выходного тока ЦАП в уровни выходного напряжения (0...U_шк). К преобразователям подобного рода относится ИС К594ПА1. Она представляет собой 32-разрядный ЦАП параллельного двоичного входного кода в выходные уровни тока (рис. 3,а).

Схема ЦАП содержит три группы элементов, связанных между собой на выходе делителями тока. Каждая группа — это четырехразрядный ЦАП с суммированием токов. Выходной ток первого ЦАП непосредственно поступает на выход прибора. Выходные токи двух других ЦАП, образующие младшие разряды, поступают на выход через делители тока 1/16 и 1/128 (резисторы R15 и R17). Масштабные резисторы R16 и R18 служат для соз-дания цепи обратной связи внешнего ОУ. Таким приемом гарантируются малые дрейфы выходного напряжения ЦАП, поскольку резисторы матрицы токов и масштабные резисторы для внешнего ОУ изготовлены на одном кристалле. Резистор R21 служит для перевода (смещения) ОУ в режиме двухполярного выходного сигнала. Отслеживающий усилитель У, транзистор УТ1 и резисторы R_3T и R_диф образуют схему формирования опорного напря-жения, задающую смещение на общую базовую шину всех источников тока. Взвешивание разрядных токов внутри схемы ЦАП, выполненное в два приема (в эмиттерных цепях транзисторов - источников тока используются резисторные матрицы как взвешенного типа в старших разрядах (R—8R), так и лестничного типа R—2R в младших разрядах), позволило сузить в матрицах диапазон номиналов резисторов до 1 :4 вместо требуемого в матрицах с прямым взвешиванием диапазона 1 : 2048. Для поддержания по-стоянной плотности токов через эмиттерные переходы источников токов с двоичным взвешиванием применены транзисторы, у которых площади эмиттеров пропорциональны токам соответствующих разрядов. Это позволяет сохранить постоянным падение напряжения на эмиттерных переходах вне зависимости от тока разряда и получить необходимую линейность.

Наличие в ИС резисторов обратной связи и резистора сдвига уровня ОУ позволяет применять ИС К594ПА1 в режимах однополярного и двухполярного выходных сигналов. На рис. 3,б при ведена схема включения ЦАП в режиме однополярного сигнала для

Рис. 3. ЦАП К594ПА1:

а — функциональная схема (1 — источники токов; 2 — схема формирования опорного напря­жения; 3 — токовые ключи; 4 — схема сдвига (смещения) входных уровней; 5 — преобразо­ватель U_{и п}). Выводы: /, 2 — резистор смещения; 3 — токовый выход (/); 4, 5 — резисторы обратной связи R_{0 С1} и R_{0 С2}; 6 — общий; 7 ... 18 — цифровые входы; 19, 20 — плюс U_{и п}; 21 — инвертирующий вход ОУ; 22 — неинвертирующий -вход ОУ; 23 — U_on; СЗР — старший значащий разряд; МЗР — младший значащий разряд; б, в — схемы включения

работы с ТТЛ цифровыми сигналами. В этой схеме резистор R19 (10,5 кОм) включается в цепь ООС ОУ. В режиме двухполярного выходного сигнала (рис. 6.79,в) в цепь ООС ОУ включаются резисторы R19, R20, (10,5—2,5 кОм), а инвертирующий вход ОУ через резистор R21 присоединяются к источнику опорного напряжения через переменный резистор, который необходим для компенсации первичных ошибок ЦАП. ИС К594ПА1 может применяться и для преобразования цифрового кода, поступающего от КМОП ЦИС.

На рис. 3,б приведена схема включения преобразователя для получения однополярного выходного тока, при этом напряжение питания U_ип=5... 15 В подключается к выводам 19 и 20. Входное напряжение логического «О» должно быть не более 0,3 U_ии, а входное напряжение логической «1» — не менее 0,7 U_ип .

Для получения выходного биполярного тока необходимо вывод 1 через резистор 50 Ом подключить к источнику опорного напряже­ния, вывод 2 соединить с выводом 3, а выход ОУ подключить к выводу 5.

При разработке первых цифро-аналоговых КМОП структур было обнаружено, что весьма затруднительно изготовить на подложке ЦАП источник опорного напряжения. Однако оказалось возможным использовать внешний вывод опорного напряжения для подачи на него переменных аналоговых напряжений. Если вторую функцию подать в цифровой форме на входы разрядов, то на выходе ЦАП можно получить сигнал, пропорциональный произведению аналогового и цифрового сигналов. Таким обра­зом, разработчики получили перемножающие ЦАП (ПЦАП).

Как ПЦАП можно использовать и биполярные ЦАП, если у них есть внешний вход опорного напряжения, которое, однако, мо­жет быть только однополярной функцией. Если использовать двухполярный сдвинутый цифровой код, получим результат пе­ремножения функции в двух квадрантах.

На КМОП аналоговые ключи можно подавать двухполярный сигнал, следовательно, результат перемножения на КМОП ПЦАП можно определить в любом из четырех квадрантов.

Примером ПЦАП служит ИС К572ПА1. Этот 10-разрядный ЦАП выполнен по КМОП технологии. Он имеет дифференци­альную нелинейность не более 1,0% от полной шкалы при вре­мени t_уст не более 5 мкс. Схема преобразователя содержит логи­ку управления, токовые ключи, и так называемую резистивную матрицу R-R2.

Рис. 4. Микросхема К572ПА1 с ОУ:

а — основная схема включения. Выводы: 1 — выход 1⁺; 3 — выход дополняющий 1⁺; 3 — об­щий; 4 (СЗР) ... 13 (МЗР) — цифровые входы; 14 — плюс U_ип; 15 — опорное напряжете; 16 — ООС; б — выходные сигналы ЦАП при различных значениях входных кодов и сигнала

U_{0 И}

Для построения полной схемы преобразователя к ИС К572ПА1 необходимо подключить ОУ (рис. 4,а). Схема включения ЦАП в режиме двухквадрантного перемножителя предусматривает подключение двухполярного источника сигнала ко входу опорного напряжения и подачу обычного 10-раз-рядного кода (табл. 6.13). При включении ЦАП в режиме четырехквадрантного умножения ЦАП из 10-разрядного превращается в 9-разрядный, так как в этом случае старший значащий разряд рассматривается как знаковый (табл. ). Напряжение сигнала, подаваемое на входе U_оп также должно быть двухполярному.

Рис. 5. Микросхема К572ПА2:

а -функциональная схема [1— резисторная матрица; 2 — регистр 2; 3 — регистр 1; 4 — схе­ма управления токовыми ключами; 5 — схема управления регистрами]. Выводы: 2; 48 - вы­ходы дополняющий (1^-) и прямой (1⁺) 4 — аналоговая земля; 6 — вход управления ре­гистра 1; 8 (СЗР) ...19 (МЗР) — цифровые входы; 20 – U_ип1; 21 — вход управления регистра 2; 24 – U_ип2; 30 — вывод (конечного резистора матрицы; 47 — вывод резистора обратной связи; 38 — опорное напряжение; б — схема построения двухкзадрантного умножения е ОУ

Полупроводниковая КМОП ИС 12-разрядного ПЦАП К572ПА2 имеет дифференциальную нелинейность не более 1% от полной шкалы. Функциональная схема ИС К572ПА2 приведена на рис. 6..83а. В отличие от предыдущего ПЦАП, эта имеет возможность записи и хранения цифровых данных за счет регистров, выполненных на КМОП транзисторах и включенных между токовыми ключами и резистивной матрицей. Переключение режимов записи и вывода данных осуществляется сменой потенциалов на выводах 6 и 21. Подключив внешний ОУ, можно строить как двухквадратные, так и четырехквадрантные перемножители (рис.4,6).