Формирование выходного сигнала в виде напряжения в цап с суммированием токов.

 

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

 

 

Рис. 8. Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП

 

На рис. 8а приведена схема с преобразователем тока в напряжение на операционном усилителе (ОУ). Эта схема пригодна для всех ЦАП с токовым 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, что обычно и делается. Это позволяет снизить температурную нестабильность преобразователя в 300…400 раз.

 

Для ЦАП на МОП -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 выходную емкость. Например, у AD7520 с МОП -ключами в зависимости от входного кода С_вых составляет величину 30…120 пФ, у AD565А с источниками тока С_вых=25 пФ. Эта емкость совместно с выходным сопротивлением ЦАП и резистором R_ос создает дополнительный полюс частотной характеристики петли обратной связи ОУ, который может вызвать неустойчивость в виде самовозбуждения. Особенно это опасно для ЦАП с МОП -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 fт превышает 500 кГц, будет иметь явно недостаточные запасы устойчивости. Для сохранения устойчивости можно включить параллельно резистору R_ос конденсатор С_к, емкость которого в первом приближении можно взять равной С_вых. Для более точного выбора С_к необходимо провести полный анализ устойчивости схемы с учетом свойств конкретного ОУ. Эти мероприятия настолько серьезно ухудшают быстродействие схемы, что возникает парадоксальная ситуация: для поддержания высокого быстродействия даже недорогого ЦАП может потребоваться относительно дорогой быстродействующий (с малым временем установления) ОУ.

 

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

 

Для цифро-аналогового преобразователя на источниках тока преобразование выходного тока в напряжение может быть произведено с помощью резистора (рис.8б). В этой схеме невозможно самовозбуждение и сохранено 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 неинвертирующий усилитель на ОУ.

 

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

 

 

Рис. 9. Инверсное включение ЦАП с МОП -ключами

 

Для расчета выходного напряжения найдем связь между напряжением Ui на ключе Si и узловым напряжением U'i. Воспользуемся принципом суперпозиции. Будем считать равными нулю все напряжения на ключах, кроме рассматриваемого напряжения Ui. При Rн=2R к каждому узлу подключены справа и слева нагрузки сопротивлением 2R. Воспользовавшись методом двух узлов, получим

 

Выходное напряжение ЦАП найдем как общее напряжение на крайнем правом узле, вызванное суммарным действием всех Ui. При этом напряжения узлов суммируются с весами, соответствующими коэффициентам деления резистивной матрицы R-2R. Получим

 

 

Для определения выходного напряжения при произвольной нагрузке воспользуемся теоремой об эквивалентном генераторе. Из эквивалентной схемы ЦАП на рис. 10 видно, что

 

 

Рис. 10

(13)

 

 

Откуда э.д.с. эквивалентного генератора (14)

 

Эквивалентное сопротивление генератора R_э совпадает со входным сопротивлением матрицы R-2R, т.е. R_э=R. При R_н=2R из (14) получим

(15)

 

 

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

 

В частности, при R_н=Ґ (16)

 

Недостатками этой схемы являются: большое падение напряжения на ключах, изменяющаяся нагрузка источника опорного напряжения и значительное выходное сопротивление. Вследствие первого недостатка по этой схеме нельзя включать ЦАП типа 572ПА1 или 572ПА2, но можно 572ПА6 и 572ПА7. Из-за второго недостатка источник опорного напряжения должен обладать низким выходным сопротивлением, в противном случае возможна немонотонность характеристики преобразования. Тем не менее, инверсное включение резистивной матрицы довольно широко применяется в ИМС ЦАП с выходом в виде напряжения, например, в 12-ти разрядном МАХ531, включающем также встроенный ОУ в неинвертирующем включении в качестве буфера, или в 16-ти разрядном МАХ542 без встроенного буфера. 12-ти разрядный ЦАП AD7390 построен на инверсной матрице с буферным усилителем на кристалле и потребляет всего 0,3 мВт мощности. Правда его время установления достигает 70 мкс.

 

 

5.1.2.2 Параллельный ЦАП на переключаемых конденсаторах (ЦАП с суммированием зарядов)

 

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^kC₀, (17)

 

Цикл преобразования состоит из двух фаз. В первой фазе ключи S0…SN–1 находятся в левой позиции. Ключ сброса S_сб замкнут. При этом все конденсаторы разряжены. Во второй фазе ключ сброса S_сб 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 ОУ. При этом выходное напряжение ОУ составит

(19)

 

 

 

Рис. 8.11. Параллельный ЦАП на коммутируемых конденсаторах

 

Подставив (18) в (19), найдем окончательно

(20)

Для хранения результата преобразования (постоянного напряжения) в течении сколь-нибудь продолжительного времени к выходу ЦАП этого типа следует подключить устройство выборки-хранения. Хранить выходное напряжение неограниченное время, как это могут делать ЦАП с суммированием весовых токов, снабженные регистром-защелкой, преобразователи на коммутируемых конденсаторах не могут из-за утечки заряда. Поэтому они применяются, в основном, в составе аналого-цифровых преобразователей. Другим недостатком является большая площадь кристалла ИМС, занимаемая подобной схемой.