24 Лекция. Цифро-аналоговые преобразователи, матричные и токовые преобразователи. Характеристики преобразования, динамические параметры преобразователей

Общие сведения

    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. Кассификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам:

    Последовательные ЦАП:

    ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

     Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах

    Параллельные ЦАП:

    ЦАП с суммированием весовых токов

    ЦАП на источниках тока

    Формирование выходного сигнала в виде напряжения

    Параллельный ЦАП на переключаемых конденсаторах

    ЦАП с суммированием напряжений

Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых 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.

24.1 Матричные цифро–аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) могут применяться как в составе отдельных функциональных звеньев, так и как самостоятельный узел. Классификаций ЦАП существует много. Простейшая из них – это деление на матричные и безматричные. Матричные ЦАП делятся на приведённые ниже группы. Первая из них – с делением напряжения, рисунок 24.1.

Рисунок 24.1 – Кодоуправляемый делитель напряжения

В процессе развития такие кодоуправляемые делители напряжения разбивались на m групп с целью минимизации величины исходных сопротивлений резисторов. Для увеличения точности при их изготовлении, увеличивают число групп до значения, равного числу двоичных разрядов, используя схему по рисунку 24.2.

Рисунок 24.2 – Делитель напряжения типа R–2R

Здесь число групп m равно числу двоичных разрядов n. Резисторы имеют два номинальных значения R и 2R. Для такой схемы дискретного делителя напряжения выходное напряжение определяется:

; ()

N – число, код которого подается на кодоуправляемый делитель напряжения.

Для этой схемы выходное сопротивление R_вых = R = const. Входное сопротивление изменяется в широких пределах в зависимости от состояния ключей. Показано, что R_{вх min} будет при чередовании состояний (0; 1) в разрядах:

R_{вх min} » 9R / (n + 1). ()

Быстродействие ЦАП лимитируют:

а) переходные процессы из-за паразитных ёмкостей и индуктивностей резисторов, соединительных проводов;

б) задержки, обусловленные выходом из насыщения транзисторов в переключателях.

Уменьшение величин паразитных ёмкостей и индуктивностей достигается за счёт тонкоплёночных наборов резисторов в виде матриц. Изготавливаются они для ЦАП с использованием взвешенных резисторов, сопротивление которых зависит от номера разряда: R_n = 2^n-mR. Их типы: R – 2R – 4R – 8R – … ; R – 2R.

В матрицах номинальная величина R выдерживается с погрешностью несколько процентов, но отношение выдерживается с малой погрешностью, менее 0,01 %. Матрицы выпускаются размерностью до 16 двоичных разрядов в корпусах ИС.

Так как паразитные ёмкости и индуктивности сказываются только при изменении тока через резистор – то надо сделать, чтобы при смене кодов не изменялись токи, протекающие через резисторы. Также увеличивает быстродействие замена активных элементов в переключателях на ненасыщенные (ДБШ, ПТШ, ДБШ + биполярный транзистор). Схему такого преобразователя «код – напряжение– (ПКН) можно представить в виде по рисунку 24.3.

Рисунок 24.3 – Преобразователь по параметру «сила тока»

Здесь суммирование напряжений заменяется суммированием токов. Для получения токов в разрядах I_i применяются схемы, по своим свойствам приближающиеся к идеальным источникам тока.

Таким образом, вторая группа матричных ЦАП – токовые ЦАП. Токовый ЦАП со взвешенными резисторами имеет схему, рисунок 24.4.

Рисунок 24.4 – ЦАП со взвешенными резисторами

На инвертирующем входе операционного усилителя напряжение равно нулю, независимо от состояния переключателей. Ток в i-ом разряде может быть: или I_i = 0 (по коду).

Ток , а u_o = –I_åR_oc пропорционально коду N.

***Необязательное пояснение**** Сопротивления резисторов матрицы, при R = 10 Ом и n = 12, лежат в диапазоне до 2^n-1R = 20 кОм – они трудно согласовываются по TKR. *****

Токовый ЦАП с матрицей R–2R имеет схему, рисунок 43.5.

Матрица резисторов однообразна и представляет из себя линейную цепь, к которой применим принцип суперпозиции – вклад в выходное напряжение каждой цепи i-го разряда можно рассчитать независимо от других цепей. Эквивалентное сопротивление с любой стороны узлов 1, 2, …, n равно 2R. Коэффициент передачи усилителя равен (минус 3/2).

()

Рисунок 43.5 – ЦАП R–2R

Формирование выходного напряжения токового ЦАП производится различными способами, например, приведёнными ниже. При малой С_н и малом u_вых – по рисунку 24.6. Для большого диапазона выходного напряжения или малых величинах R_н и больших C_н применяют схемы по рисунку 24.7. Для получения большого значения u_вых и увеличенного быстродействия заменяют выходные узлы ОУ.

Рисунок 24.6 – ЦАП с малым выходным напряжением

Рисунок 24.7 – ЦАП с большим выходным напряжением