Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговые преобразователи

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. На рис. 1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. 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

Рис. 1. Классификация ЦАП

 

 

 

 

 

Последовательные  ЦАП

ЦАП с широтно-импульсной модуляцией   

 Очень часто ЦАП  входит в состав микропроцессорных  систем. В этом случае, если не  требуется высокое быстродействие, цифро-аналоговое преобразование  может быть очень просто осуществлено  с помощью широтно-импульсной  модуляции (ШИМ). Схема ЦАП с  ШИМ приведена на рис. 1а.

Рис. 1. ЦАП с широтно-импульсной модуляцией   

 Наиболее просто организуется  цифро-аналоговое преобразование  в том случае, если микроконтроллер  имеет встроенную функцию широтно-импульсного  преобразования (например, AT90S8515 фирмы  Atmel или 87С51GB фирмы Intel). Выход ШИМ управляет ключом S. В зависимости от заданной разрядности преобразования (для контроллера AT90S8515 возможны режимы 8, 9 и 10 бит) контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов, относительная длительность которых g =t_и/ Т определяется соотношением

где N – разрядность преобразования, а D – преобразуемый код. Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя  среднее значение напряжения. В результате выходное напряжение преобразователя

   

 Рассмотренная схема  обеспечивает почти идеальную  линейность преобразования, не содержит  прецизионных элементов (за исключением  источника опорного напряжения). Основной ее недостаток – низкое  быстродействие.

Последовательный  ЦАП на переключаемых конденсаторах    

 Рассмотренная выше  схема ЦАП с ШИМ вначале  преобразует цифровой код во  временной интервал, который формируется  с помощью двоичного счетчика  квант за квантом, поэтому для  получения N-разрядного преобразования  необходимы 2^N временных квантов (тактов). Схема последовательного ЦАП, приведенная на рис. 2, позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.

   

 В этой схеме емкости  конденсаторов С₁ и С₂ равны. Перед началом цикла преобразования конденсатор С₂ разряжается ключом S₄. Входное двоичное слово задается в виде последовательного кода. Его преобразование осуществляется последовательно, начиная с младшего разряда d₀. Каждый такт преобразования состоит из двух полутактов. В первом полутакте конденсатор С₁ заряжается до опорного напряжения U_оп при d₀=1 посредством замыкания ключа S₁ или разряжается до нуля при d₀=0 путем замыкания ключа S₂. Во втором полутакте при разомкнутых ключах S₁, S₂ и S₄ замыкается ключ S₃, что вызывает деление заряда пополам между С₁ и С₂. В результате получаем

U1(0)=Uвых(0)=(d0/2)Uоп

(3)

Пока на конденсаторе С₂ сохраняется заряд, процедура заряда конденсатора С₁ должна быть повторена для следующего разряда d₁ входного слова. После нового цикла перезарядки напряжение на конденсаторах будет

(4)

 

    Точно также выполняется  преобразование для остальных  разрядов слова. В результате  для N-разрядного ЦАП выходное напряжение будет равно

(5)

 

    Если требуется сохранять  результат преобразования сколь-нибудь  продолжительное время, к выходу  схемы следует подключить УВХ.  После окончания цикла преобразования  следует провести цикл выборки,  перевести УВХ в режим хранения  и вновь начать преобразование.    

 Таким образом, представленная  схема выполняет преобразование  входного кода за 2N квантов, что значительно меньше, чем у ЦАП с ШИМ. Здесь требуется только два согласованных конденсатора небольшой емкости. Конфигурация аналоговой части схемы не зависит от разрядности преобразуемого кода. Однако по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает параллельным цифро-аналоговым преобразователям, что ограничивает область его применения.

Параллельные  ЦАП

ЦАП с cуммированием весовых токов

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна  весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать  двоичный четырехразрядный код в  аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес  будет равен 2³=8, у третьего разряда – 2²=4, у второго – 2¹=2 и у младшего (МЗР) – 2⁰=1. Если вес МЗР I_МЗР=1 мА, то I_СЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I_{вых.макс}=15 мА и соответствует коду 1111₂. Понятно, что коду 1001₂, например, будет соответствовать I_вых=9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий  весу разряда. Ключ должен быть замкнут  тогда, когда соответствующий ему  бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

При высокой разрядности  ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем

DR / R=2^–k

Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде  не должен превышать 3%, а в 10-м разряде  – 0,05% и т.д.

Рассмотренная схема при  всей ее простоте обладает целым букетом  недостатков. Во-первых, при различных  входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Эти недостатки устранены  в схеме ЦАП AD7520 (отечественный  аналог 572ПА1), разработанном фирмой Analog Devices в 1973 году, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП). Указанная схема представлена на рис. 4. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

Рис. 4. Схема ЦАП с переключателями  и матрицей постоянного импеданса

В этой схеме задание весовых  коэффициентов ступеней преобразователя  осуществляют посредством последовательного  деления опорного напряжения с помощью  резистивной матрицы постоянного  импеданса. Основной элемент такой  матрицы представляет собой делитель напряжения (рис. 5), который должен удовлетворять  следующему условию: если он нагружен на сопротивление R_н, то его входное сопротивление R_вх также должно принимать значение R_н. Коэффициент ослабления цепи a=U₂/U₁ при этой нагрузке должен иметь заданное значение. При выполнении этих условий получаем следующие выражения для сопротивлений:

(6)

При двоичном кодировании a =0,5. Если положить R_н=2R, то

Rs=R и Rp=2R

(7)

в соответствии с рис.4.

Поскольку в любом положении  переключателей S_k они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление R_вх=R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Согласно рис. 4, выходные токи схемы определяются соотношениями

(8)

(9)

а входной ток

(10)

Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей S_k соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать опорное напряжение из широкого диапазона, в том числе и различной полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от U_оп линейно (см. (8)), преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими (MDAC).

Точность этой схемы снижает  то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих  высокую разрядность, необходимо согласовывать  сопротивления R₀ ключей с разрядными токами. Особенно это важно для ключей старших разрядов. Например, в 10-разрядном ЦАП AD7520 ключевые МОП-транзисторы шести старших разрядов сделаны разными по площади и их сопротивление R₀ нарастает согласно двоичному коду (20, 40, 80, … , 640 Ом). Таким способом уравниваются (до 10 мВ) падения напряжения на ключах первых шести разрядов, что обеспечивает монотонность и линейность переходной характеристики ЦАП. 12-разрядный ЦАП 572ПА2 имеет дифференциальную нелинейность до 0,025% (1 МЗР).   

 ЦАП на МОП ключах  имеют относительно низкое быстродействие  из-за большой входной емкости  МОП-ключей. Тот же 572ПА2 имеет время установления выходного тока при смене входного кода от 000...0 до 111...1, равное 15 мкс. 12-разрядный DAC7611 фирмы Burr-Braun имеет время установления выходного напряжения 10 мкс. В то же время ЦАП на МОП-ключах имеют минимальную мощность потребления. Тот же DAC7611 потребляет всего 2,5 мВт. В последнее время появились модели ЦАП рассмотренного выше типа с более высоким быстродействием. Так 12-разрядный AD7943 имеет время установления тока 0,6 мкс и потребляемую мощность всего 25 мкВт. Малое собственное потребление позволяет запитывать такие микромощные ЦАП прямо от источника опорного напряжения. При этом они могут даже не иметь вывода для подключения ИОН, например, AD5321.

ЦАП на источниках тока

ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличие  от предыдущего варианта, в котором  весовые токи формируются резисторами  сравнительно небольшого сопротивления  и, как следствие, зависят от сопротивления  ключей и нагрузки, в данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое  динамическое сопротивление. Упрощенная схема ЦАП на источниках тока приведена  на рис. 6.

Рис. 6. Схема ЦАП на источниках тока

Весовые токи формируются  с помощью резистивной матрицы. Потенциалы баз транзисторов одинаковы, а чтобы были равны и потенциалы эмиттеров всех транзисторов, площади  их эмиттеров делают различными в  соответствии с весовыми коэффициентами. Правый резистор матрицы подключен  не к общей шине, как на схеме  рис. 4, а к двум параллельно включенным одинаковым транзисторам VT₀ и VT_н, в результате чего ток через VT₀ равен половине тока через VT₁. Входное напряжение для резистивной матрицы создается с помощью опорного транзистора VT_оп и операционного усилителя ОУ1, выходное напряжение которого устанавливается таким, что коллекторный ток транзистора VT_оп принимает значение I_оп. Выходной ток для N-разрядного ЦАП.

(11)

Характернымипримереми ЦАП на переключателях тока с биполярными транзисторами в качестве ключей являются 12-разрядный 594ПА1 с временем установления 3,5 мкс и погрешностью линейности не более 0,012% и 12-разрядный AD565, имеющий время установления 0,2 мкс при такой же погрешности линейности. Еще более высоким быстродействием обладает AD668, имеющий время установления 90 нс и ту же погрешность линейности. Из новых разработок можно отметить 14-разрядный AD9764 со временем установления 35 нс и погрешностью линейности не более 0,01%.

В качестве переключателей тока S_k часто используются биполярные дифференциальные каскады, в которых транзисторы работают в активном режиме. Это позволяет сократить время установления до единиц наносекунд. Схема переключателя тока на дифференциальных усилителях приведена на рис. 7.

Дифференциальные каскады VT₁–VT₃ и VT' ₁–VT' ₃ образованы из стандартных ЭСЛ вентилей. Ток I_k, протекающий через вывод коллектора выходного эмиттерного повторителя является выходным током ячейки. Если на цифровой вход D_k подается напряжение высокого уровня, то транзистор VT₃ открывается, а транзистор VT' ₃ закрывается. Выходной ток определяется выражением