ЦАП с суммированием токов

При построении АЦП наиболее часто используется принцип суммирования токов. Его реализация требует формирования ряда источников, выходной ток которых пропорционален весовым коэффициентам разрядов двоичного кода. Принцип работы такого ЦАП иллюстрирует рис.11.5. Единичные разряды исходного кода подключают соответствующие источники тока к резистору R . В результате падение напряжения на этом резисторе пропорционально численному значению исходного кода.

Рис.11.4. Классификация ЦАП

(11.5)

Рис.11.5. ЦАП с суммированием токов

Для получения токов, пропорциональных весовым коэффициентам двоичного кода наиболее часто применяют либо генераторы на транзисторах, либо матрицы резисторов.

Транзисторные генераторы тока используют свойство транзисторов, работающих в активном (биполярный транзистор), либо насыщенном (полевой транзистор) режимах работы формировать ток, пропорциональный величине управляющего сигнала. На рис.11.6. приведен пример реализации данного метода с использованием полевых транзисторов.

Рис.11.6. ЦАП с суммированием токов

КМОП пара транзисторов и , работающих в насыщенном режиме работы ( ), формирует на затворах транзисторов , , , постоянное напряжение . Так как эти транзисторы так же работают в насыщенном режиме, то их токи стока пропорциональны этому напряжению. Ключи , и управляются разрядами входного кода. При замыкании ключа (разрядный коэффициент равен лог «1») по эталонному резистору протекает ток транзистора . При замыкании , через протекает ток транзисторов и , в два раза превышающий ток ключа . При замыкании ток возрастает в 4 раза. Таким образом, падение напряжения на резисторе пропорционально входному коду , который при значении разряда, равном лог. «1» открывает соответствующие транзисторы (сигналы ).

Увеличение числа разрядов АЦП ведет к значительному усложнению схемы. Поэтому в многоразрядных АЦП для создания токов, пропорциональных весовым коэффициентам двоичного кода, чаще используют матрицы резисторов

Генераторы токов на матрицах резисторов как показано на рис.11.7. могут быть получены подключением к источнику эталонного напряжения ( ) резисторов, величины сопротивлений которых пропорциональны весовым коэффициентам двоичного кода.

Рис.11.7. ЦАП с матрицей резисторов

Однако, из-за технологической сложности обеспечения точности изготовления таких резисторов при значительном отличии их сопротивлений (увеличение числа разрядов), данный метод не находит практического применения. На практике используется матрица резисторов, содержащая сопротивления только двух номиналов, причем точность формирования тока не зависит от величины этих сопротивлений, а определяется только точностью их отношения, что легко обеспечивается современной технологией.

На рис.11.8.приведена упрощенная схема трехразрядного ЦАП с матрицей . Используя основные постулаты ОУ, согласно которым напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах усилителя равны ( ) и его входной ток равен нулю ( ), для токов инвертирующего входа ОУ можно записать:

(11.6).

Таким образом, выходное напряжение ОУ прямо пропорционально выходному току матрицы резисторов ( ).

Выходной ток матрицы складывается из токов резисторов , нижние выводы которых, в соответствие с управляющим кодом, могут подключаться либо к общей шине ( ), либо к входу ОУ ( ). Так как напряжение на инвертирующем входе ОУ равно нулю ( и ), изменение положения ключа не влияет на токи цепи.

Рис.11.8. ЦАП с матрицей

Обозначим ток, протекающий через ключ, управляемый сигналом , как . Тогда ток, протекающий по второму резистору , соединяющему узел «а» с общей шиной, так же будет равен , а ток резистора , включенного между узлами «b» и «а», равен . Очевидно, что, так как между узлом «b» и общей шиной включено два одинаковых сопротивления ( и два параллельно включенных резистора ), ток, протекающий по ключу, управляемому сигналом , будет равен . Рассуждая аналогично, можно показать, что ток ключа, управляемого сигналом , равен . И так далее, то есть токи резисторов при любом числе ветвей схемы распределяются в соответствие с весовыми коэффициентами двоичного кода. Тогда выражение для выходного напряжения ОУ схемы можно переписать в виде:

(11.7)

Таким образом, выходное напряжение АЦП прямо пропорционально значению входного управляющего двоичного кода .

При использовании полевых транзисторов данная схема характеризуется очень малым потреблением, так, например, 12-разрядный ЦАП AD7943 имеет потребляемую мощность 25 мкВт и время установления выходного сигнала 0,6 мкс.