ЦАП с суммированием токов

ЦАП с суммированием весовых токов. Существует несколько схем, являющихся базой для построения многих разновидностей ЦАП соответствующего класса. Для формирования соответствующих уровней выходного напряжения (или тока) к выходу ЦАП подключается необходимое количество опорных сигналов тока или напряжения, либо устанавливают соответствующее дискретное значение коэффициента деления. Большинство схем параллельных АЦП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться токи только тех разрядов, значения которых равны 1.Простейшая схема, реализующая этот принцип, представлена на рис.28.3, а. Ключи, как правило, выполняются на МОП-транзисторах.

Данная четырехразрядная схема содержит источник опорного напряжения U_ОП, четыре резистора с сопротивлениями R, R/2, R/4, R/8 и четыре ключа, управляемых разрядами входного кода. Если в соответствующем разряде входного кода присутствует логическая 1, соответствующий ключ S замкнут.

В схеме все токи формируются с помощью резисторов в соответствии с законом Ома. Сопротивления выбраны так, чтобы при замыкании ключа через резистор протекал ток, соответствующий весу разряда. Легко показать, что суммарный ток I_ВЫХ определяется входным кодом и положением ключей S.

а)

б)

Рис.28.3. Упрощенная схема ЦАП с суммированием весовых токов (а), ее реализация на ОУ (б)

Для схемы 28.3, б , получившей название ЦАП с матрицей взвешенных резисторов или взвешенная схема, выходное напряжение определяется сопротивлением обратной связи R_ОС и суммарным входным сопротивлением R_Σ, определяемым положением ключей S₀…S₃:

U_ВЫХ = –U_ОП R_ОС/ R_Σ . (28.1)

Токи ключей суммируются на инвертирующем входе ОУ, причем токи различных ключей имеет разный «вес».

U_ВЫХ = –U_ОП ·S₀ · R_ОС/ R–U_ОП ·S₁ · R_ОС/(R/2)–U_ОП ·S₂· R_ОС/(R/4) –U_ОП ·S₃· R_ОС/(R/8),

U_ВЫХ = –U_ОП · (R_ОС / R) (8S₃ + 4S₂ + 2S₁ + S₀), (28.2)

где S_i, i=0, 1, 2, 3 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью, наиболее жесткие требования предъявляются к резисторам старших разрядов. Это требование делает фактически нереализуемыми по указанному принципу ЦАП с разрядностью выше 12. Кроме этого, схема имеет еще недостатки: при различных кодах ток, потребляемый от ИОН, различный, что может повлиять на величину напряжения ИОН; в схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

ЦАП на резистивной матрице R-2R. Указанные недостатки отсутствуют в схеме на матрице R-2R, представленной на рис.28.4, а. Здесь используются так называемые перекидные ключи, соединяющие нижние выводы сопротивлений 2R к общему проводу в любом положении.

В схеме весовые коэффициенты преобразователя задаются с помощью последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы постоянного импеданса (так называемой матрице R-2R). Каждый последующий каскад делит входное напряжение на два. В этом легко можно убедиться, проанализировав принцип построения ступени резистивной матрицы. Каждый последующий каскад нагружен на сопротивление 2R, которое соединено параллельно с выходным сопротивлением каскада, равным также 2R. Параллельное соединение сопротивлений 2R равно R. Таким образом получается, что последовательно включены два сопротивления величиной R, которые дают уменьшение сигнала в два раза.

а) б)

Рис. 28.4. Упрощенная схема ЦАП на резистивной матрице R-2R (а) и фрагмент схемы, поясняющий принцип деления напряжения (б)

Благодаря близкому к нулю сопротивлению ключей S_i нижние выводы резисторов при любом положении ключей находятся под потенциалом общей шины схемы. Благодаря этому ИОН нагружен всегда на постоянное сопротивление схемы, что гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде.

Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии ключей S_i соединены с общей шиной через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах остаются небольшими. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать широкий диапазон опорных напряжений, в том числе и различной полярности. Преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала, подаваемого на вход опорного напряжения на цифровой код. Такие ЦАП получили название перемножающих.

ЦАП на основе матрицы R-2R представлен на рис.28.5. Преобразователь тока в напряжение выполнен на базе ОУ. Так как ОУ включен по схеме с ООС, а резистивная матрица подключена к инвертирующему входу ОУ, то в точке подключения будет виртуальный ноль. Следовательно, при любом положении ключей нижние выводы резисторов 2R будут подключены практически к общему проводу.

Анализ схемы показывает, что модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S_i:

U_ВЫХ = – – – – ; (28.3)

U_ВЫХ = – U_ОП (8S₃ + 4S₂ + 2S₁ + S₀). (28.4)

По данной схеме построен интегральный ЦАП 572ПА1 (зарубежный аналог – AD7520), являющийся по существу схемой, на основе которой построены многие современные серийные модели ЦАП.

Рис.28.5. ЦАП на резистивной матрице R-2R с использованием ОУ

К недостаткам схемы можно отнести то, что весовые токи формируются резисторами небольшого сопротивления и зависят от сопротивления ключей и нагрузки.