Реферат на тему:
Паралельні ЦАП
ЦАП з cумуванням вагових струмів
Більшість схем паралельних ЦАП засновано на підсумовуванні струмів, сила
кожного з яких пропорційна вазі цифрового двійкового розряду, причому
повинні сумуватися тільки струми розрядів, значення яких рівні 1. Нехай,
наприклад, потрібно перетворити двійковий четирьохрозрядний код в
аналоговий сигнал струму. У четвертого, старшого значущого розряду (СЗР)
вага буде дорівнює 23=8, у третього розряду – 22=4, у другого – 21=2 та
в молодшого (МЗР) – 20=1. Якщо вага МЗР IМЗР=1 ма, то IСЗР=8 ма, а
максимальний вихідний струм перетворювача Iвих.макс=15 ма та відповідає
коду 11112. Зрозуміло, що коду 10012, наприклад, буде відповідати Iвих=9
ма та т.д. Отже, потрібно побудувати схему, що забезпечує генерацію та
комутацію за заданими законами точних вагових струмів. Найпростіша
схема, що реалізує зазначений принцип, наведена на рис. 3.
Опори резисторів вибирають так, щоб при замкнутих ключах через них
протікав струм, що відповідає вазі розряду. Ключ повинен бути замкнутим
тоді, коли відповідний йому біт вхідного слова дорівнює одиниці.
Вихідний струм визначається співвідношенням
При високій розрядності ЦАП струмозадаючі резистори повинні бути
погоджені з високою точністю. Найжорсткіші вимоги щодо точності
пред’являються до резисторів старших розрядів, оскільки розкид струмів у
них не повинен перевищувати струму молодшого розряду. Тому розкид опору
в k-му розряді повинен бути меншим, ніж
?R / R=2-k
З цієї умови випливає, що розкид опору резистора, наприклад, у
четвертому розряді не повинен перевищувати 3%, а в 10-м розряді – 0,05%
і т.д.
Розглянута схема при всій її простоті має цілий букет недоліків.
По-перше, при різних вхідних кодах струм, споживаний від джерела опорної
напруги (ДОН), буде різним, а це вплине на величину вихідної напруги
ДОН. По-друге, значення опорів вагових резисторів можуть розрізнятися в
тисячі разів, а це робить дуже скрутною реалізацію цих резисторів у
напівпровідникових ІМС. Крім того, опір резисторів старших розрядів у
багаторозрядних ЦАП може бути співрозмірним з опором замкнутого ключа, а
це приведе до похибки перетворення. По-третє, у цій схемі до розімкнутих
ключів прикладається значна напруга, що ускладнює їх побудову
Ці недоліки усунуті в схемі ЦАП AD7520 (вітчизняний аналог 572ПА1), що
розроблена фірмою Analog Devices у 1973 році і яка в даний час є, власне
кажучи, промисловим стандартом (по ній виконані багато серійних моделей
ЦАП). Зазначена схема наведена на рис. 4. Як ключі тут використовуються
МДН-транзистори.
Рис. 4. Схема ЦАП з перемикачами та матрицею постійного імпедансу
У цій схемі задавання вагових коефіцієнтів ступеней перетворювача
здійснюють за рахунок послідовного розподілу опорної напруги за
допомогою резистивної матриці постійного імпедансу. Основний елемент
такої матриці являє собою дільник напруги (рис. 5), який повинен
задовольняти наступній умові: якщо він навантажений на опір Rн, то його
вхідний опір Rвх також повинен приймати значення Rн. Коефіцієнт
ослаблення кола ?=U2/U1 при цьому навантаженні повинен мати задане
значення. При виконанні цих умов одержуємо наступні вирази для опорів:
(6)
При двійковому кодуванні ??=0,5. Якщо покласти Rн=2R, то
Rs=R та Rp=2R (7)
відповідно до рис.4.
Оскільки в будь-якім положенні перемикачів Sk вони з’єднують нижні
виводи резисторів із загальною шиною схеми, джерело опорної напруги
навантажене на постійний вхідний опір Rвх=R. Це гарантує незмінність
опорної напруги при будь-якому вхідному коді ЦАП.
Згідно рис. 4, вихідні струми схеми визначаються співвідношеннями
(8)
(9)
а вхідний струм
(10)
Оскільки нижні виводи резисторів 2R матриці при будь-якому положенні
перемикачів Sk з’єднані з загальною шиною схеми через низький опір
замкнутих ключів, напруги на ключах завжди невеликі, у межах декількох
мілівольтів. Це спрощує побудову ключів та схем керування ними та
дозволяє використовувати опорну напругу із широкого діапазону, у тому
числі і різної полярності. Оскільки вихідний струм ЦАП залежить від Uоп
лінійно (див. (8)), перетворювачі такого типу можна використовувати для
множення аналогового сигналу (подаючи його на вхід опорної напруги) на
цифровий код. Такі ЦАП називають перемножуючими (MDAC).
Точність цієї схеми знижує та обставина, що для ЦАП, які мають високу
розрядність, необхідно погоджувати опори R0 ключів з розрядними
струмами. Особливо це важливо для ключів старших розрядів. Наприклад, у
10-розрядному ЦАП AD7520 ключові МДН-транзистори шести старших розрядів
зроблені різними по площі та їхній опір R0 наростає відповідно до
двійкового коду (20, 40, 80, … , 640 Ом). Таким способом зрівнюються
(до 10 мв) спадання напруги на ключах перших шести розрядів, що
забезпечує монотонність та лінійність перехідної характеристики ЦАП.
12-розрядний ЦАП 572ПА2 має диференційну нелінійність до 0,025% (1 МЗР).
ЦАП на МДН ключах мають відносно низьку швидкодію через велику
вхідну ємність МДН-ключів. Той ж 572ПА2 має час установлення вихідного
струму при зміні вхідного коду від 000…0 до 111…1, рівний 15 мкс..
12-розрядний DAC7611 фірми Burr-Braun має час установлення вихідної
напруги 10 мкс.. У той же час ЦАП на МДН-ключах мають мінімальну
потужність споживання. Той ж DAC7611 споживає всього 2,5 мвт. Останнім
часом з’явилися моделі ЦАП розглянутого вище типу з більш високою
швидкодією. Так 12-розрядний AD7943 має час встановлення струму 0,6 мкс.
та споживану потужність усього 25 мкВт. Мале власне споживання дозволяє
живити такі мікропотужні ЦАП прямо від джерела опорної напруги. При
цьому вони можуть навіть не мати виводу для підключення ДОН, наприклад,
AD5321.
ЦАП на джерелах струму
ЦАП на джерелах струму мають більш високу точність. На відміну від
попереднього варіанта, у якому вагові струми формуються резисторами
порівняно невеликого опору та, як наслідок, залежать від опору ключів та
навантаження, у даному випадку вагові струми забезпечуються
транзисторними джерелами струму, які мають високий динамічний опір.
Спрощена схема ЦАП на джерелах струму наведена на рис. 6.
Рис. 6. Схема ЦАП на джерелах струму
Вагові струми формуються за допомогою резистивної матриці. Потенціали
баз транзисторів однакові, а щоб були рівні та потенціали емітерів усіх
транзисторів, площі їхніх емітерів роблять різними відповідно до вагових
коефіцієнтів. Правий резистор матриці підключений не до загальної шини,
як на схемі рис. 4, а до двох паралельно увімкнених однакових
транзисторів VT0 та VTн, у результаті чого струм через VT0 дорівнює
половині струму через VT1. Вхідна напруга для резистивної матриці
створюється за допомогою опорного транзистора VTоп та операційного
підсилювача ОП1, вихідна напруга якого встановлюється такою, щоб
колекторний струм транзистора VTоп приймав значення Iоп. Вихідний струм
для N-розрядного ЦАП.
(11)
Характерними прикладами ЦАП на перемикачах струму з біполярними
транзисторами в якості ключів є 12-розрядний 594ПА1 з часом встановлення
3,5 мкс. та похибкою лінійності не більш 0,012% та 12-розрядний AD565,
що має час встановлення 0,2 мкс. при такій ж похибці лінійності. Ще
більш високою швидкодією володіє AD668, який має час встановлення 90 нс
та ту ж похибку лінійності. З нових розробок можна відзначити
14-розрядний AD9764 з часом встановлення 35 нс та похибкою лінійності не
більш 0,01%.
Як перемикачі струму Sk часто використовуються біполярні диференційні
каскади, у яких транзистори працюють в активному режимі. Це дозволяє
скоротити час встановлення до одиниць наносекунд. Схема перемикача
струму на диференційних підсилювачах наведена на рис. 7.
Диференційні каскади VT1-VT3 та VT’ 1-VT’ 3 утворені зі стандартних ЕЗЛ
вентилів. Струм Ik, що протікає через вивід колектора вихідного
емітерного повторювача є вихідним струмом комірки. Якщо на цифровий вхід
Dk подається напруга високого рівня, то транзистор VT3 відкривається, а
транзистор VT’ 3 закривається. Вихідний струм визначається виразом
Точність значно підвищується, якщо резистор Rе замінити джерелом
постійного струму, як у схемі на рис. 6. Завдяки симетрії схеми існує
можливість формування двох вихідних струмів – прямого та інверсного.
Найбільш швидкодіючі моделі подібних ЦАП мають вхідні ЭЗЛ-рівні.
Прикладом може служити 12-ти розрядний МАХ555, що має час встановлення 4
нс до рівня 0,1%. Оскільки вихідні сигнали таких ЦАП захоплюють
радіочастотний діапазон, вони мають вихідний опір 50 чи 75 ом, яке
повинне бути узгоджений із хвильовим опором кабелю, що підключається до
виходу перетворювача
Формування вихідного сигналу у виді напруги
Існує кілька способів формування вихідної напруги для ЦАП з
підсумовуванням вагових струмів. Два з них показані на рис. 8.
„
†
?
1/4
TH
a
>DXZ`AEEO
H
J
†
?
?
??;
??;
??;
??;
??;
/мування напруги за струмовим виходом ЦАП
На рис. 8а наведена схема з перетворювачем струму в напругу на
операційному підсилювачі (ОП). Ця схема придатна для всіх ЦАП зі
струмовим виходом. Оскільки плівкові резистори, що визначають вагові
струми ЦАП мають значний температурний коефіцієнт опору, резистор
зворотного зв’язку Rос варто виготовляти на кристалі ЦАП та в тому ж
технологічному процесі, що переважно і робиться. Це дозволяє знизити
температурну нестабільність перетворювача в 300…400разів.
Для ЦАП на МДН-ключах з врахуванням (8) вихідна напруга схеми на рис.
8а.
Зазвичай опір резистора зворотного зв’язку Rос=R. У такому випадку
(12)
Більшість моделей ЦАП має значну вихідну ємність. Наприклад, у AD7520 з
МДН-ключами в залежності від вхідного коду Свих складає величину
30…120 пф, у AD565А з джерелами струму Свих=25 пф. Ця ємність разом з
вихідним опором ЦАП та резистором Rос створює додатковий полюс частотної
характеристики петлі зворотного зв’язку ОП, який може викликати
нестійкість у виді самозбудження. Особливо це небезпечно для ЦАП з
МДН-ключами при нульовому вхідному коді. При Rос=10 кОм частота другого
полюса складе близько 100 кГц при 100%-ний глибині зворотного зв’язку. У
такому випадку підсилювач, частота одиничного підсилення якого fт
перевищує 500 кГц, буде мати явно недостатні запаси стійкості. Для
збереження стійкості можна увімкнути паралельно резисторові Rос
конденсатор Ск, ємність якого в першому наближенні можна взяти рівною
Свих. Для більш точного вибору Ск необхідно провести повний аналіз
стійкості схеми з урахуванням властивостей конкретного ОП. Ці заходи
настільки серйозно погіршують швидкодію схеми, що виникає парадоксальна
ситуація: для підтримки високої швидкодії навіть недорогого ЦАП може
знадобитися відносно дорогий швидкодіючий (з малим часом установлення)
ОП.
Ранні моделі ЦАП з МДН ключами (AD7520, 572ПА1 та ін.) допускають
негативну напругу на ключах не понад 0,7 В, тому для захисту ключів між
виходами ЦАП варто включати діод Шоткі, як це показано на рис. 8а.
Для цифро-аналогового перетворювача на джерелах струму перетворення
вихідного струму в напругу може бути зроблене за допомогою резистора
(рис.8б). У цій схемі неможливе самозбудження та збережена швидкодія,
однак амплітуда вихідної напруги повинна бути невеликою (наприклад, для
AD565А в біполярному режимі в межах ± 1 В). У противному випадку
транзистори джерел струму можуть вийти з лінійного режиму. Такий режим
забезпечується при низьких значеннях опору навантаження: Rн ?1 кОм. Для
збільшення амплітуди вихідного сигналу ЦАП у цій схемі до її виходу
можна підключити неінвертуючий підсилювач на базі ОП.
Для ЦАП з МДН-ключами, щоб отримати вихідний сигнал у виді напруги,
можна використовувати інверсне увімкнення резистивної матриці (рис. 9).
Рис. 9. Інверсне увімкнення ЦАП з МДН-ключами
Для розрахунку вихідної напруги знайдемо зв’язок між напругою Ui на
ключі Si та вузловою напругою U’i . Скористаємося принципом
суперпозиції. Будемо вважати рівними нулю всі напруги на ключах, крім
розглянутої напруги Ui. При Rн=2R до кожного вузла підключені праворуч
та ліворуч навантаження опором 2R. Скориставшись методом двох вузлів,
отримаємо
Вихідну напругу ЦАП знайдемо як загальну напругу на крайньому правому
вузлі, що викликана сумарною дією всіх Ui. При цьому напруги вузлів
сумуються з вагами, які відповідають коефіцієнтам розподілу резистивної
матриці R-2R. Отримаємо
Для визначення вихідної напруги при довільному навантаженні
скористаємося теоремою про еквівалентний генератор. З еквівалентної
схеми ЦАП на рис. 10 видно, що
Рис. 10
(13)
Відкіля е.р.с. еквівалентного генератора
(14)
Еквівалентний опір генератора Rе збігається з вхідним опором матриці
R-2R, тобто Rе=R. При Rн=2R з (14) отримаємо
(15)
Підставивши (15) у (13), для довільного навантаження отримаємо
Зокрема, при Rн=?
(16)
Недоліками цієї схеми є: велике падіння напруги на ключах, зміннне
навантаження джерела опорної напруги та значний вихідний опір. Внаслідок
першого недоліку за цією схемою не можна вмикати ЦАП типу 572ПА1 чи
572ПА2, але можна 572ПА6 та 572ПА7. Через другий недолік джерело опорної
напруги повинне володіти низьким вихідним опором, у противному випадку
можлива немонотонність характеристики перетворення. Проте, інверсне
увімкнення резистивної матриці досить широко застосовується в ІМС ЦАП з
виходом у виді напруги, наприклад, у 12-ти розрядному МАХ531, що містить
також убудований ОП у неінвертуючому увімкненні, в якості буфера, чи в
16-ти розрядному МАХ542 без убудованого буфера. 12-ти розрядний ЦАП
AD7390 побудований на інверсній матриці з буферним підсилювачем на
кристалі та споживає всього 0,3 мВт потужності. Правда його час
встановлення досягає 70 мкс.
Паралельний ЦАП на конденсаторах, що переключаються,
Основою ЦАП цього типу є матриця конденсаторів, ємності яких
співвідносяться як цілі степені двох. Схема простого варіанта такого
перетворювача наведена на рис. 11. Ємність k-го конденсатора матриці
визначається співвідношенням
Зk=2kC0. (17)
Цикл перетворення складається з двох фаз. У першій фазі ключі S0…SN-1
знаходяться в лівій позиції. Ключ скидання Sс замкнутий. При цьому всі
конденсатори розряджені. В другій фазі ключ скидання Sс розмикається.
Якщо k-й біт вхідного N-розрядного слова dk=1, то відповідний ключ Sk
переключається в праву позицію, підключаючи нижню обкладку конденсатора
до джерела опорної напруги, чи залишається в лівій позиції, якщо dk=0.
Сумарний заряд конденсаторів матриці з врахуванням (17) складе
(18)
Рівний заряд одержує і конденсатор С у зворотному зв’язку ОП. При цьому
вихідна напруга ОП складе
Рис. 8.11. Паралельний ЦАП на конденсаторах, що комутуються,
Підставивши (18) у (19), знайдемо остаточно
(20)
Для збереження результату перетворення (постійної напруги) на протязі
довільного тривалого часу до виходу ЦАП цього типу варто підключити
пристрій вибірки-зберігання. Зберігати вихідну напругу необмежений час,
як це можуть робити ЦАП з підсумовуванням вагових струмів, з вмонтованим
регістром-засувкою, перетворювачі на конденсаторах, що комутуються, не
можуть через витік заряду. Тому вони застосовуються, в основному, у
складі аналого-цифрових перетворювачів. Іншим недоліком є велика площа
кристалу ІМС, що займається подібною схемою
ЦАП з підсумовуванням напруг
Схема восьмирозрядного перетворювача з підсумовуванням напруг, що
виготовляється у виді ІМС, наведена на рис. 8.12. Основу перетворювача
складає коло з 256 резисторів рівного опору, з’єднаних послідовно. Вивід
W через ключі S0…S255 може підключатися до будь-якої точки цього кола
в залежності від вхідного числа. Вхідний двійковий код D перетворюється
дешифратором 8х256 в унітарний позиційний код, безпосередньо керуючи
ключами. Якщо прикласти напругу UAB між виводами А та У, то напруга між
виводами W та B складе
UWB=UABD.
Перевагою даної схеми є мала диференційна нелінійність та гарантована
монотонність характеристики перетворення. Її можна використовувати як
резистор, що підстроюється цифровим кодом. Випускається кілька моделей
таких ЦАП. Наприклад, мікросхема AD8403 містить чотири восьмирозрядних
ЦАП, виконаних за схемою на рис. 8.12, з опором між виводами А та У 10,
50 або 100 кОм в залежності від модифікації. При подачі активного рівня
на вхід “Економічний режим” відбувається розмикання ключа Sвідк та
замикання ключа S0. ІМС має вхід скидання, яким ЦАП можна установити на
середину шкали. Фірма Dallas Semiconductor випускає кілька моделей ЦАП
(наприклад, здвоєний DS1867) з підсумовуванням напруг, у яких вхідний
регістр являє собою енергонезалежний оперативний запам’ятовуючий
пристрій, що особливо зручно для побудови схем з автоматичним
підстроюванням (калібруванням). Недолік схеми – необхідність виготовляти
на кристалі велику кількість (2N) узгоджених резисторів. Проте, у даний
час випускаються 8-ми, 10-ти та 12-ти розрядні ЦАП даного типу з
буферними підсилювачами на виході, наприклад, AD5301, AD5311 та AD5321.
Використана література:
Основы промышленной электроники/ Под ред. В.Г. Герасимова. -М.: Высшая
школа, 1978.
Изъюрова Г.И., Кауфман М.С. Приборы и устройства промышленной
электроники. -М.: Высшая школа, 1975.
Миклашевский С.П. Промышленная электроника. -М.: Высшая школа, 1973.
Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Высшая
школа, 1988.
Основы промышленной электроники/Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: высшая
школа, 1982.
Гершунский В.С. Основы электроники. – К.: Вища школа, головн. из-во,
1982.
Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.:Энергоатомиздат, 1985.
Нагорский В.Д. Электроника и электрооборудование. – М.: Высшая школа,
1986.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
