ЦАП с матрицей резисторов R-2R

В ЦАП используется метод суммирования токов, пропорциональных весовым коэффициентам двоичных разрядов. К входу матрицы подключается прецизионный источник опорного напряжения Uo с током потребления Iвх = Io * 2ⁿ.

Эквивалентное сопротивление цепи справа от "сечения 0" равно Rэ₀ = 2R. Сопротивление цепи справа от "сечения 1" равно Rэ₁ = R + 2R||Rэ₀ = 2R. Значком || обозначено параллельное соединение двух сопротивлений. Рассуждая таким образом найдем, что Rэ_n-1 = R + 2R||Rэ_n-2 = 2R и полное сопротивление цепи со стороны входа, на который подается напряжение Uo, равно Rэ = 2R||Rэ_n-1 = R, т.е.равно номиналу R независимо от числа звеньев матрицы. Теперь можно найти величину тока

Io*2ⁿ = Uo/R (1)

Нетрудно подсчитать, что ток в узле n-1 делится пополам, одна половина ответвляется в сопротивление 2R, а другая в сопротивление Rэ_n-1 тоже равное 2R. Половина попадающая в узел n-2 также делится пополам и т.д. Величина тока в каждой "ветке" равна Io*2ⁱ, т.е. пропорциональна весовому коэффициенту 2ⁱ. Суммирование токов осуществляется с помощью операционного усилителя (ОУ), включенного по схеме сумматора (см. рис.64). Часть схемы, слева от ОУ, выпускается промышленно в виде микросхем, например К572ПА1,2 и 1108ПА1.

Электронные ключи Кл управляются входными сигналами di цифрового кода. Левое положение ключа на рисунке эквивалентно нулевому значению i-го разряда, а правое - единичному. Относительно ОУ необходимо сделать известные допущения:

1)Коэффициент усиления ОУ без ОС стремится к бесконечности,

2)Rвх обоих входов тоже бесконечно велико.

Отсюда следует, что во-первых разность потенциалов dUвх на входах ОУ близка к нулю, т.к dUвх = Uцап / (К = бесконечности) и следовательно потенциал инверсного входа ОУ тоже близок к нулю и,во-вторых,током каждого входа ОУ можно пренебречь. Сумма токов втекающих в узел (*) и вытекающих из него равна нулю, поэтому можно записать: Ioc + сумма(Io * 2ⁱ * di) = 0 или сумма(Io * 2ⁱ * di) = -Iос. Подставляя в последнее выражение значение Io из формулы (1) получим: -Iос = (Uо/(R * 2ⁿ)) * (сумма(di*2ⁱ)). В свою очередь, Uцап = Iос * Rос. Подставляя сюда значение Iос и учитывая, что Rос = R получим окончательную формулу напряжения на выходе ЦАП:

где D = сумма(2ⁱ * di) - десятичный эквивалент цифрового кода на входах ЦАП. Пусть число разрядов n = 10 и Uо = -10.24В, тогда Uцап = (10.24/1024)*D и находится в пределах (0, 0.01, 0.02 ... 10.22, 10.23)В. Передаточная характеристика такого ЦАП показана на рисунке.

Верхний квадрант относится к -Uо, а нижний к +Uо.

На рисунке внизу показано применение униполярного ЦАП для формирования пилообразного напряжения.