ЦАП с внутренними источниками тока

Для повышения точности и быстродействия применяют схемы с использованием источников тока на биполярных транзисторах. Принцип построения ЦАП на внутренних источниках тока иллюстрируется схемой на рис. 28.6, а. Структура ЦАП содержит резистивный делитель типа R-2R, разрядные ключи S₀…S_N и управляемые ОУ источники равных токов на транзисторах VT₀…VТ_N.

а)

б)

Рис.28.6. Упрощенная схема ЦАП на внутренних источниках тока (а) и переключатели тока на дифференциальных усилителях (б)

При данном методе преобразования входной двоичный код управляет включением источников, генерирующих токи, в соответствии с их весовыми коэффициентами. Эти токи суммируются, и суммарный ток либо непосредственно используется в качестве выходного, либо преобразуется в напряжение посредством операционного усилителя. Масштабные токи формируются при помощи транзисторов и набора масштабных резисторов соответствующих номиналов.

В большинстве преобразователей этого типа источники тока фактически все время включены, а их выходные токи коммутируются в зависимости от значения входного кода на общий провод или на выходную шину. Это обеспечивает повышенную точность, а ключи легко реализуются на биполярных или полевых транзисторах (рис. 28.6, б). В схеме ЦАП источники тока промасштабированы с помощью резисторной цепной схемы R-2R. Площади эмиттерных переходов транзисторов соотносятся, как показаны цифры на рисунке, что позволяет обеспечить постоянную плотность эмиттерных токов. Операционный усилитель с транзистором VT_ОП формируют опорное напряжение для смещения источников тока, задавая соответствующее значение U_БЭ. Стабильное положительное напряжение U_ОП можно получить от внутреннего либо от внешнего источника. Это напряжение используется для получения коллекторного тока транзистора VT_ОП, равного I_К = U_ОП/R₀, и, следовательно, стабильного напряжения на эмиттере относительно U_-. Транзисторы VT₀…VT_N, которые обеспечивают необходимые двоично-взвешенные токи, получают требуемое напряжение смещения за свет того, что потенциал базы выше потенциала эмиттера на величину U_БЭ.

Поскольку нагрузка на источники тока, состоящая из сопротивлений открытых ключей S₀…S_N и сопротивлений резистивного делителя R-2R со стороны узловых цепей, не влияет на значение тока, то погрешность в формировании выходного тока I_ВЫХ как суммы разрядных значений зависит только от точности изготовления делителя R-2R.

Применение такого ЦАП в режиме преобразования однополярного напряжения (рис.28.7) сопровождается подключением потенциометра R₁, обеспечивающего регулировку масштаба. Вывод ЦАП по току подключается к инвертирующему входу ОУ с обратной связью, работающего в режиме преобразования тока в напряжение.

Рис.28.7. Включение ЦАП в режиме преобразования однополярного напряжения

Для нормальной работы ЦАП необходимо, чтобы транзисторы в электронных ключах работали либо в режиме глубокого насыщения, либо в режиме глубокой отсечки. Временная задержка, связанная с выводом транзисторов из режима насыщения, часто определяет верхний предел быстродействия ЦАП.

В качестве переключателей тока часто используют биполярные дифференциальные каскады, в которых транзисторы работают не в ключевом, а в активном режиме (ненасыщенные ключи). Это позволяет сократить время установления выходного сигнала до единиц наносекунд.