Параллельные ЦАП

ЦАП с cумуванням 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 четирьохрозрядний код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2 ³ = 8, у третьего разряда - ² 2 = 4, у второго - 2 ¹ = 2 и у младшего (МЗР) - 2 ⁰ = 1. Если вес МЗР I _МЗР = 1 мА, то I _СЗР = 8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I _{вих.макс} = 15 мА и соответствует коду 1111 _2. Понятно, что коду 1001 _2, например, будет соответствовать I _вых = 9 мА и т.д. Значит, нужно построить схему, которая обеспечивает генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.

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

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

D R / 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 имеет целый букет недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ДОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ДОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, что делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соразмерны с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме в разомкнутых ключей прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение

Эти недостатки устранены в схеме ЦАП AD7520 (отечественный аналог 572ПА1), разработанной фирмой Analog Devices в 1973 году и которая в настоящее время является, по существу, промышленным стандартом (по ней выполнены много серийных моделей ЦАП). Указанная схема приведена на рис. 4. Как ключи здесь используются МДП-транзисторы.

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

В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют за счет последовательного распределения опорного напряжения с помощью резистивной матрицы постоянного импеданса. Основной элемент такой матрицы представляет собой делитель напряжения (рис. 5), который должен удовлетворять следующей условии: если он нагружен на сопротивление R _н, то его входное сопротивление R _вх также должен принимать значение R _н. Коэффициент ослабления круга a = U ₂ / U ₁ при этом 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 = 2 R, то
R _s = R и R _p = 2 R (7)

согласно рис.4.

Поскольку в любом положении переключателей S _k они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагруженное на постоянный 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 2 R матрицы при любом положении 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 опорную напряжение из широкого диапазона, в том числе и разной 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 перемножуючимы (MDAC).

Точность этой схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления R ₀ ключей с разрядными токами. Особенно это важно для ключей старших разрядов. Например, в 10-разрядном ЦАП AD7520 ключевые МДП-транзисторы шести старших разрядов сделаны разными по площади и их сопротивление R ₀ нарастает согласно двоичного кода (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 МПП ключах имеют относительно низкое быстродействие из-за большого входную емкость МДП-ключей. Тот же 572ПА2 имеет время установления выходного тока при изменении входного кода от 000 ... 0 до 111 ... 1, равный 15 мкс .. 12-разрядный DAC7611 фирмы Burr-Braun имеет время установления выходного напряжения 10 мкс .. В то же время ЦАП на МДП-ключах имеют � �инимальную 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 питать такие микромощный ЦАП прямо от источника опорного напряжения. При этом они могут даже не иметь вывода для подключения ДОН, например, AD5321.

ЦАП на источниках тока

ЦАП на источниках тока имеют более высокую точность. 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, которые имеют высокий динамический 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 эмиттером всех транзисторов, площади их эмиттером делают различными согласно весовых коэффициентов. Правый резистор матрицы подключен не к общей шины, как на схеме рис. 4, а до двух параллельно включенных одинаковых транзисторов VT ₀ и VT _н, в результате чего ток через VT ₀ равен половине тока через VT _1. Входное напряжение для резистивной матрицы создается с помощью опорного транзистора VT _оп и операционного усилителя ОП1, выходное напряжение которого устанавливается такой, чтобы коллекторный ток транзистора VT _оп принимал значение I _оп. Выходной ток для N-разрядного ЦАП.

(11)

Характерными примерами ЦАП на переключателях тока с биполярными транзисторами в качестве ключей является 12-разрядный 594ПА1 со 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%.

Как переключатели 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 VT _{1-VT 3} и VT _{'1-VT' 3} образованы из стандартных ЕЗЛ 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 VT ₃ открывается, а транзистор VT _'3 закрывается. Выходной ток определяется выражением

Точность знач� �тельно повышается, если резистор R _е заменить источником постоянного тока, как в схеме на рис. 6. Благодаря симметрии схемы существует возможность формирования двух выходных токов - прямого и инверсной. Наиболее быстродействующие модели подобных ЦАП имеют входные ЭЗЛ-уровне. Примером может служить 12-ти разрядный МАХ555, имеющий время установления 4 нс до уровня 0,1%. Поскольку выходные сигналы таких ЦАП захватывают радиочастотный диапазон, они имеют выходное сопротивление 50 или 75 ом, которое должно быть согласовано с волновым сопротивлением кабеля, подключаемого к выходу преобразователя

Формирование выходного сигнала в виде напряжения

Существует несколько способов формирования выходного напряжения для ЦАП с суммированием весовых токов. Два из них показаны на рис. 8.

Рис. 8. Формирование напряжения при токовой выходом ЦАП

На рис. 8а приведена схема с преобразователем тока в напряжение на операционном усилителе (ОП). Эта схема пригодна для всех ЦАП с токовой выходом. Поскольку пленочные резисторы, определяющие весовые токи ЦАП имеют значительный температурный коэффициент сопротивления, резистор обратной связи R _ос следует изготавливать на кристалле ЦАП и в том же технологическом процессе, который в основном и делается. Это позволяет снизить температурную нестабильность преобразователя в 300 ... 400разив.

Для ЦАП на МДП-ключах с учетом (8) выходное напряжение схемы на рис. 8а.

Обычно сопротивление резистора обратной связи R _ос = R. В таком случае

(12)

Большинство моделей ЦАП имеет значительную исходную емкость. Например, в AD7520 с МДП-ключами в зависимости от входного кода С _вых составляет величину 30 ... 120 пФ, в AD565А с источниками тока С _вых = 25 пФ. Эта емкость вместе с выходным сопротивлением ЦАП и резистором R _ос создает дополнительный полюс частотной характеристики петли обратной связи ОП, который может вызвать неустойчивость в виде самовозбуждения. Особенно это опасно для ЦАП с МДП-ключами при нулевом входном коде. При R _ос = 10 кОм частота второго полюса составит около 100 кГц при 100%-ной глубине обратной связи. В таком случае усилитель, частота единичного усиления которого f _т превышает 500 кГц, будет иметь явно недостаточные запасы устойчивости, для сохранения устойчивости можно включить параллельно резисторов R _ос конденсатор С _к, емкость которого в первом приближении можно принять равной С _вых. Для более точного выбора С _к необходимо провести полный анализ устойчивости схемы с учетом свойств конкретного ОП. Эти мероприятия настолько серьезно ухудшают быстродействие схемы, возникает парадоксальная ситуация: для поддержания высокого быстродействия даже недорогого ЦАП может потребоваться относительно дорогой быстродействующий (с малым временем установления) ОП.

Ранние модели ЦАП с МДП ключами (AD7520, 572ПА1 и др.) допускают негативную напряжение на ключах не свыше 0,7 В, поэтому для защиты ключей между выходами ЦАП следует включать диод Шоттки, как показано на рис. 8а.

Для циф� �о-аналогового преобразователя на источниках тока преобразование выходного тока в напряжение может быть произведено с помощью резистора (рис.8б). В этой схеме невозможно самовозбуждение и сохранена быстродействие, однако амплитуда выходного напряжения должна быть небольшой (например, для AD565А в биполярном режиме в пределах ± 1 В). В противном случае транзисторы источников тока могут выйти из линейного режима. Такой режим обеспечивается при низких значениях сопротивления нагрузки: R _н "1 кОм. Для увеличения амплитуды выходного сигнала ЦАП в этой схеме к ее выходу можно подключить неинвертуючий усилитель на базе ОП.

Для ЦАП с МДП-ключами, чтобы получить выходной сигнал в виде напряжения, можно использовать инверсное включение резистивной матрицы (рис. 9).

Рис. 9. Инверсное включения ЦАП с МДП-ключами

Для расчета выходного напряжения найдем связь между напряжением U _i на ключе S _i и узловым напряжением U _'i. Воспользуемся принципом суперпозиции. Будем считать равными нулю все напряжения на ключах, кроме рассмотренной напряжения U _i. При R _н = 2 R с каждого узла подключены справа и слева нагрузки сопротивлением 2 R. Воспользовавшись методом двух узлов, получим

Выходное напряжение ЦАП найдем как общее напряжение на крайнем правом узле, вызванной суммарным действием всех U _i. При этом напряжения узлов суммируются с весами, которые соответствуют коэффициентам деления резистивной матрицы R-2 R. Получим

Для определения выходного напряжения при произвольном нагрузке воспользуемся теоремой об эквивалентный генератор. Из эквивалентной схемы ЦАП на рис. 10 видно, что

Рис. 10

(13)

Откуда э.д.с. эквивалентного генератора

(14)

Эквивалентное сопротивление генератора R _е совпадает с входным сопротивлением матрицы R-2 R, т.е. R _е = R. При R _н = 2 R с (14) получим

(15)

Подставив (15) в (13), для произвольного нагрузки получим

В частности, при R _н = Г

(16)

Недостатками этой схемы являются: большое падение напряжения на ключах, зминнне нагрузки источника опорного напряжения и значительный выходное сопротивление. Вследствие первого недостатка по этой схеме нельзя включать ЦАП типа 572ПА1 или 572ПА2, но можно 572ПА6 и 572ПА7. Через второй недостаток источник опорного напряжения должно обладать низким выходным сопротивлением, в противном случае возможна немонотонность характеристики преобразования. Однако, инверсное включение резистивной матрицы довольно широко применяется в ИМС ЦАП с выходом в виде напр яжения, например, в 12-ти разрядном МАХ531, содержащий также встроенный ОП в неинвертуючому включении в качестве буфера, или в 16-ти разрядном МАХ542 без встроенного буфера . 12-ти разрядный ЦАП AD7390 построен на инверсный матрицы с буферным усилителем на кристалле и потребляет всего 0,3 мВт мощности. Правда его время установки достигает 70 мкс.

Параллельный ЦАП на конденсаторах, что переключаются,

Основой ЦАП этого типа является матрица конденсаторов, емкости которых соотносятся как целые степени двух. Схема простого варианта такого преобразователя приведена на рис. 11. Емкость k-го конденсатора матрицы определяется соотношением

С _k = 2 ^k C _0.

(17)

Цикл преобразования состоит из двух фаз. В первой фазе ключи S ₀ ... S _N -1 находятся в левой позиции. Ключ сброса S _с замкнутый. При этом все конденсаторы разряжены. Во второй фазе ключ сброса S _с размыкается. Если k-й бит входного N-разрядного слова d _k = 1, то соответствующий ключ S _k переключается в правую позицию, подключая нижнюю обкладку конденсатора к источнику опорного напряжения, или остается в левой позиции, если d _k = 0. Суммарный заряд конденсаторов матрицы с учетом (17) составит

(18)

Равный заряд получает и конденсатор С в обратной связи ОП. При этом выходное напряжение ОП составит

U _вых =- q / C.

(19)

Рис. 8.11. Параллельный ЦАП на конденсаторах, коммутируемого

Подставив (18) в (19), найдем окончательно

(20)

Для сохранения результата преобразования (постоянного напряжения) в течение произвольного длительного времени до выхода ЦАП этого типа следует подключить устройство выборки-хранения. Хранить выходное напряжение неограниченное время, как это могут делать ЦАП с суммированием весовых токов, со встроенным регистром-защелкой, преобразователи на конденсаторах, коммутируемого, не могут из-за утечки заряда. Поэтому они применяются, в основном, в составе аналого-цифровых преобразователей. Другим недостатком является большая площадь кристалла ИМС, занимающейся подобной схеме

ЦАП с суммированием напряжений

Схема восьмиразрядного преобразователя с суммированием напряжений, изготавливаемого в виде ИМС, приведена на рис. 8.12. Основу преобразователя составляет круг из 256 резисторов равного сопротивления, соединенных последовательно. Вывод W через ключи S ₀ ... S ₂₅₅ может подключаться к любой точки этого круга в зависимости от входного числа. Входной двоичный код D превращается дешифратор 8х256 в унитарный позиционный код, непосредственно управляя ключами. Если приложить напряжение U _AB между выводами А и В, то напряжение между выводами W и B составит

U _WB = U _AB D.

Преимуществом данной схемы является малая дифференциальная нелинейность и гарантированная монотонность характеристики преобразования. Ее можно использовать как резистор, подстраивающейся цифровым кодом. Выпускается несколько моделей таких ЦАП. Например, микросхема AD8403 содержит четыре восьмиразрядных ЦАП, выполненных по схеме на рис. 8.12, с сопротивлением между выводами А и В 10, 50 или 100 кОм в зависимости от модификации. При подаче активного уровня на вход "Экономичный режим" происходит размыкание ключа S _откуда и замыкание ключа S _0. ИМС имеет вход сброса, которым ЦАП можно установить на середину шкалы. Фирма Dallas Semiconductor выпускает несколько моделей ЦАП (например, сдвоенный DS1867) с суммированием напряжений, в которых входной регистр представляет собой энергонезависимый оперативное запоминающее устройство, что особенно удобно для построения схем с автоматической подстройкой (калибровкой) Недостаток схемы - необходимость изготавливать на кристалле большое количество (2 ^N) согласованных резисторов. Однако, в настоящее время выпускаются 8-ми, 10-ти и 12-разрядные ЦАП данного типа с буферными усилителями на выходе, например, AD5301, AD5311 и AD5321.