ЦАП с биполярными транзисторными ключами

На рис. 6.15 показана упрощенная схема двенадцатиразрядного интегрального ЦАП типа К594ПА1. Встроенный операционный усилитель А1 здесь используется в цепи формирования двоично взвешенных токов, пропорциональных опорному напряжению . Коллекторные токи транзисторов Т2, Т3,... пропорциональны проводимостям резисторов, включенных в их эмиттеры. В транзисторах, соответствующих старшим разрядам преобразователя, эти проводимости соотносятся по двоичному закону. В младших разрядах нужное соотношение токов поддерживается за счет использования в эмиттерных цепях транзисторов резисторной сетки вида R – 2R. Схему такой сетки мы рассмотрим ниже. Переключатели S1 – S13 управляются входным кодом N ЦАП (выводы 7 – 18) и пропускают на выход (вывод 3) токи, соответствующие ненулевым разрядам этого кода. На вывод 18 подается сигнал старшего разряда (СР) кода, а на вывод 7 – сигнал младшего разряда (МР) кода. Переключатели (см. рис. 6.15) для упрощения схемы показаны условно, в микросхеме они выполнены на биполярных транзисторах. Выходной ток АЦП преобразуется в напряжение с помощью операционного усилителя А2. Резистор обратной связи этого усилителя (R5) входит в состав микросхемы. Все резисторы микросхемы изготавливаются одновременно по одной и той же технологии, и поэтому их относительные погрешности оказываются практически одинаковыми,
а поскольку выходное напряжение ЦАП в конечном счете зависит от
отношения сопротивлений, то погрешности ЦАП будут меньше, чем погрешности входящих в него сопротивлений.

Рис. 6.15. Упрощенная схема цифроаналогового преобразователя К594ПА1

При = 10 В номинальный выходной ток преобразователя К594ПА1 равен 2 мА. Сопротивление резистора R5 составляет примерно
5 кОм, поэтому при изменении управляющего кода от нуля до максимального значения выходное напряжение изменяется от нуля до значения, примерно равного 10 В. Если требуется получить знакопеременное выходное напряжение, изменяющееся в диапазоне ±10 В, то в цепь обратной связи ОУ А2 включаются последовательно резисторы R5, R6 и, кроме того, инвертирующий вход ОУ соединяется через резистор R3 с источником опорного напряжения . Соответствующие соединения показаны на рис. 6.15 штриховыми линиями. В этом случае при нуле управляющего кода мы будем иметь = –10 В, а при максимальном коде = 10 В.

Упрощенная схема еще одного двенадцатиразрядного ЦАП (типа К1108ПА1) показана на рис. 6.16. В этом ЦАП токи, соответствующие разрядам входного кода, равны между собой. Но эти токи через переключатели S1 – S12 (показаны на рисунке упрощенно) подаются в узлы резисторной сетки R – 2R. Коллекторный ток транзистора Т13 подается непосредственно на выход ЦАП через переключатель S12, управляемый старшим разрядом кода. Ток следующего, более младшего разряда с коллектора транзистора Т12 поступает на узел резисторной сетки, имеющий сопротивление относительно общего провода, равное R/2. Учитывая, что этот узел соединен с выходом ЦАП резистором R, приходим к выводу, что этот разряд поставляет на выход ток, в два раза меньший, чем старший разряд.

Рис. 6.16. Упрощенная схема ЦАП К1108ПА1

Если рассмотреть вклад других разрядов ЦАП в выходной ток, то можно убедиться, что хотя сопротивления узлов сетки не равны между собой, тем не менее обеспечиваются одинаковые (равные двум) коэффициенты деления тока при переходе от узла к узлу. В данном ЦАП имеется возможность получать двухполярный входной сигнал путем исходного смещения выходного напряжения от источника U_n через встроенный резистор R2 (см. рис. 6.16). Номинальный выходной ток ЦАП К1108ПА1 равен
5 мА, номинальное выходное напряжение примерно равно . Частотная коррекция встроенного ОУ в этом ЦАП производится с помощью внешнего конденсатора емкостью 10 – 100 пФ, включаемого между выходом (вывод 3) и инвертирующим входом (вывод 11) ОУ.

Для регулировки в небольших пределах чувствительности ЦАП можно включать переменный резистор последовательно с резистором R1 (см. рис. 6.16). Однако увеличивать сопротивление этого резистора сверх 50 – 100 Ом нецелесообразно, так как иначе может заметно возрасти температурная погрешность ЦАП из-за различия температурных коэффициентов внешнего и внутренних резисторов. Для регулировки нуля ЦАП можно включать переменный резистор последовательно с резистором R2 или использовать цепь регулировки нуля внешнего выходного операционного усилителя.

Умножающие ЦАП

Использование МОП-транзисторов для реализации входящих в ЦАП переключателей позволяет изменять опорное напряжение как по размеру, так и по знаку. В результате ЦАП приобретает свойства перемножителя входного (опорного) напряжения и входного (управляющего) кода. Это существенно расширяет область применения ЦАП. Подобными умножающими ЦАП являются микросхемы типов К572ПА1 и К572ПА2.

Схема первого из них, десятиразрядного ЦАП К572ПА1, приведена на рис. 6.17. Здесь также используется резисторная сетка R – 2R. Но в данном случае она питается непосредственно от источника опорного напряжения и вырабатывает двоично взвешенные токи, поступающие на МОП-переключатели S1 – S10. С выходов ЦАП получаем два тока и . Ток изменяется пропорционально управляющему коду N.

Рис. 6.17. Схема умножающего ЦАП К572ПА1

Ток – дополняющий, определяется соотношением = – , где – максимальное значение тока . У разных экземпляров ЦАП может лежать в диапазоне от 0,5 до 2 мА (номинальное значение 1 мА).

Выходное напряжение ЦАП снимается с выхода дополнительного усилителя А1 и определяется равенством . Поскольку может принимать как положительные, так и отрицательные значения, то таким образом осуществляется двухквадратное умножение на N. Для четырехквадратного умножения цифроаналоговый преобразователь дополняется еще одним операционным усилителем (А2) и резисторами R1 – R3 (R1 = R3 = 2R2). Очевидно, что напряжение на выходе А2 можно найти следующим образом: . Если один из сомножителей – это напряжение , а второй сомножитель () представлен смещенным двоичным кодом N (, где а – постоянный коэффициент), то – результат четырехквадратного перемножения этих сомножителей ().

Умножающий ЦАП удобно использовать для построения усилителя с управляемым коэффициентом усиления. Действительно, если в устройстве по схеме рис. 6.17 – это входное, а – выходное напряжение усилителя, то коэффициент усиления такого инвертирующего усилителя
(– ) изменяется прямо пропорционально управляющему коду N.

На основе умножающего ЦАП К572ПА1 может быть построен также и неинвертирующий усилитель с управляемым коэффициентом усиления. Соответствующая схема показана на рис. 6.18, а. На этом рисунке ЦАП показан условно, в виде управляемых кодом двух сопротивлений и одного постоянного сопротивления .

Рис. 6.18. Схемы включения ЦАП К572ПА1

В данном случае использовано обратное включение ЦАП: опорное напряжение присоединено к выводу 1, соответствующему входному току , а выходное напряжение снимается с вывода 15, на который обычно подается опорное напряжение. Такое включение сетки R – R2 обеспечивает напряжение на выходе (вывод 15), пропорциональное управляющему коду. Причем в отличие от исходной схемы включения (см. рис. 6.17) здесь указанная пропорциональная зависимость сохраняется при любом постоянном сопротивлении нагрузки. Это и дает возможность подавать выходное напряжение резисторной сетки на неинвертирующий вход операционного усилителя. Удобным в таком включении является также то, что выходное напряжение сетки определяется отношением ее сопротивлений и не зависит от абсолютных значений сопротивлений. Благодаря этому корректируются погрешности, вызываемые, например, одинаковым температурным изменением этих сопротивлений. Однако при обратном включении ЦАП следует учитывать тот факт, что используемые в нем МОП-ключи – это токовые ключи, они не рассчитаны на переключение больших напряжений. В частности, в рассматриваемом устройстве (рис. 6.18, а) рекомендуется устанавливать .

Если требуется получать знакопеременное выходное напряжение при использовании постоянного опорного напряжения и смещенного управляющего кода, то устройство дополняется резистором R₁ (рис. 6.18, а).
В результате получаем

(6.9)

В частности, если принять R₁ = R, R₂ = 1,25R, R₃ = 5R, то .

Умножающий ЦАП может быть применен также для выполнения операции деления. Для этого он включается в цепь обратной связи операционного усилителя (рис. 6.18, б). В данном случае.

Таким образом, малым числовым эквивалентам управляющего кода соответствует большое выходное напряжение и наоборот. При этом нужно учитывать, что ЦАП проектируется так, чтобы обеспечить примерно постоянную приведенную погрешность при использовании его в основном режиме. Вследствие этого относительная погрешность ЦАП возрастает при малых значениях кода N. Поэтому и погрешности делительного устройства по схеме рис. 6.18, б будут увеличиваться при уменьшении кода N.

Цифроаналоговый преобразователь типа К572ПА1 может управляться кодом, получаемым с выходов дискретных интегральных схем типов КМОП и ТТЛ. В последнем случае выходные уровни, соответствующие единичным сигналам, должны быть повышены путем соединения выходов ТТЛ-инверторов с источником питания 5 В через резисторы сопротивлением 2 – 10 кОм. Непосредственное согласование входных управляющих уровней ЦАП с параметрами сигналов ТТЛ-схем достигается при уменьшении напряжения питания ЦАП до 5 В. Однако при этом возрастают погрешности ЦАП.

В другом умножающем ЦАП (типа К572ПА2) предусмотрено два источника питания: 5 В и 15 В. Благодаря этому по сигналам он непосредственно согласуется с цифровыми ТТЛ-устройствами. На рис. 6.19, а показана схема включения этого ЦАП. Преобразователь К572ПА2 управляется двенадцатиразрядным кодом и имеет два встроенных регистра, в которых этот код может запоминаться. Регистры включены последовательно. По сигналу входной код N записывается в первый регистр, а по сигналу код из первого регистра переписывается во второй. Код второго регистра и преобразуется в выходной ток , и в дополняющий ток .

Рис. 6.19. Схема включения ЦАП К572ПА2 (а) и графики,

поясняющие характер погрешности ЦАП (б)

Таким образом, если на вход или подан нулевой сигнал, то изменение управляющего кода не приведет к немедленному изменению выходного тока ЦАП.

ЦАП типа К572ПА2 построен, как и ЦАП К572ПА1, на основе резисторной сетки R – 2R. Однако последний резистор сетки в рассматриваемом ЦАП не соединен внутри микросхемы с общим проводом, а присоединен к выводу 30 микросхемы. Этот вывод обозначен на рис. 6.19, а символом (ток указан на рис. 6.17). В данном преобразователе имеются два земляных вывода: аналоговый (GA) и цифровой (GD). Кроме того,
в состав микросхемы входит резистор обратной связи Ro, который на рис. 6.19, а условно показан вне контура ЦАП. Для получения выходного напряжения требуется дополнять преобразователь внешним операционным усилителем, в цепь обратной связи которого и включается данный резистор (рис. 6.19, а).

Параметры ЦАП, характеризующие их качество, – это число разрядов n управляющего кода, номинальный выходной ток , время установления выходного сигнала после изменения управляющего кода , погрешность полной шкалы , погрешность линейности , дифференциальная нелинейность . На рис. 6.19, б представлены кривые, поясняющие характер погрешностей ЦАП. Кривая соединяет точки, соответствующие идеальной зависимости выходного напряжения от управляющего кода. Кусочно-линейная кривая аналогичным образом представляет реальную зависимость от N. Разность – для максимального кода N – это и есть погрешность полной шкалы . Наибольшее отклонение кривой от прямой, соединяющей крайние точки этой кривой, характеризует погрешность линейности . Наконец дифференциальная нелинейность определяется как наибольшая по модулю разность единичного приращения (кванта) выходного напряжения и среднего значения этого приращения .

Погрешности ЦАП могут быть выражены в процентах или других относительных единицах, а также в долях кванта . Если дифференциальная нелинейность ЦАП больше одного кванта, то зависимость от N может быть немонотонной (рис. 6.19, б).

Основные параметры рассмотренных ЦАП приведены в табл. 6.3.

Таблица 6.3

Параметры ЦАП

Типы микросхем	n	, мА	, мкс	, В		Зарубежный аналог
К572ПА1А				– 17…17	+5…17(2)	AD7520
К572ПА2А		0,8		– 15…15	+5(2); +15(2)	AD7545
К594ПА1			3,5	9…11	+5… 15(25) – 15(35)	–
К1108ПА1А			0,4	2,2 …10,5	+5(15) – 15(46)	H1562

Дифференциальная нелинейность для всех этих ЦАП не превышает одного кванта. Микросхемы К572ПА1 и К572ПА2 с буквами Б, В имеют , достигающую 2 и 4 квантов, а К572ПА1Г – 8 квантов. ЦАП
типа К1108ПА1Б отличается от К1108ПА1А временем установления
(0,7 мкс).

Погрешность полной шкалы , иначе говоря, погрешность неточной установки коэффициента преобразования ЦАП может достигать достаточно большого значения. В частности, для ЦАП типов К572ПА1, К572ПА2, К1108ПА1 эта погрешность может составлять ±30, ±20 и ±30 квантов соответственно.

Как видно из табл. 6.3, ЦАП серии К572 отличаются малым током потребления (не более 2 мА). Но здесь нужно иметь в виду следующее обстоятельство. Ток потребления этих микросхем может многократно возрастать, когда на цифровые входы подается напряжение большее, чем уровень «нуль», но меньшее, чем уровень «единица» (примерно 0,8 – 1,9 В). Поэтому нужно принимать меры, чтобы исключить подачу такого напряжения на входы, соответствующие управляющему коду. В частности, желательно иметь крутые фронты входных кодовых сигналов.

Кроме указанных в табл. 6.3, отечественная промышленность выпускает и другие интегральные ЦАП. Упомянем, в частности, быстродействующие ЦАП К1108ПА1А (n = 8, = 0,02 мкс) и К1108ПА2А (n = 10,
= 0,08 мкс), а также гибридный шестнадцатиразрядный ЦАП ( = 5 мкс), включающий в себя управляющий кристалл типа Б572ПП1-4 и сетку пленочных резисторов.

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: