ЦАП с суммированием токов

При построении ЦАП, реализующих метод суммирования нескольких различных эталонов, в качестве упомянутых эталонов можно использовать источники напряжения или тока. На практике наибольшее применение нашли схемы с эталонными источниками тока. Поэтому ниже остановимся только на особенностях построения устройств данного типа.

Принцип построения ЦАП, реализующих метод суммирования токов можно представить в следующем виде:

Данное устройство в общем случае содержит b (по числу разрядов входного позиционного кода X) источников тока и b управляемых разрядами этого кода переключателей S. Если в i-м разряде входного кода X присутствует сигнал лог. 1 (x_i=1), соответствующий переключатель S_i подключает эталонный источник тока I₀∙2ⁱ к сопротивлению нагрузки Rн. В противном случае (x_i=0), переключатель S_i закорачивает соответствующий источник и ток I₀∙2ⁱ протекает через нагрузку. В результате ток резистора R_н:

пропорционален значению входного кода. При условии R_н=const выходное напряжение схемы U_ORN=R_нI_ORN также пропорциональ­но входному коду.

На практике для получения напряжения, пропорционального входному коду, к выводам "a","b" подключают операционный усилитель (ОУ) Тогда схема будет иметь следующий вид (рис...)

Из аналоговой электроники известно, что напряжение между входами ОУ всегда равно нулю. Поэтому для рассматриваемой схемы Ua=Ub=0 и по первому закону Кирх­гофа I_ORN+U_ORN/R_ООС. Откуда

U_ORN=I_ORN∙R_ООС (6)

т. е. выходное напряжение ОУ прямо пропорционально выходному току ЦАП и сопротивлению Rоос и не зависит от сопротивления выходной нагрузки ОУ.

Большинство серийно выпускаемых ИС ЦАП реализуют именно этот принцип. Их отличие состоит лишь в способе получения разрядных токов и используемой схемотехнике.

В простейшем случае для получения эталонных источников тока I₀∙2ⁱ можно к источнику напряжения U_REF подключить ряд резисторов, сопротивления которых пропорциональны весовым коэффициентам входного кода. Такие резисторы называют взвешенными. Так как для ОУ U_a=U_b=0 то токи резисторов схемы будут обратно пропорциональны их сопротивлениям I_i=U_REF∙2ⁱ/R=I₀∙2ⁱ, где I₀=U_REF/R, и для выходного напряжения устройства справедливо выражение (6).

Недостатком такого решения является широкий диапазон изменения сопротивлений взвешенных резисторов, используемых для формирования разрядных токов. К тому же для обеспечения точности преобразования абсолютные значения сопротивлений этих резисторов должны выдерживаться с прецизионной точностью. Так, в случае 12-разрядного ЦАП сопротивления разрядных резисторов должны отличаться в 2¹¹ =2048 раз, что весьма трудно выполнить технологически. Поэтому для получения источников эталонного тока часто используют резистивные R-2R матрицы, выполненные только на резисторах двух номиналов R и 2R. В качестве примера рассмотрим схему 4-разрядного ЦАП с матрицей R-2R.

Схема включает R-2R матрицу, четыре переключателя S3,…,S0, на МДП-транзисторах VT_3.1,…,VT_0.1 и VT_3.2,…,VT_0.2 четыре инвертора DD3,…,DD0 и ОУ DА1 с цепью ООС. На входы инвертора подаются сигналы разрядов входного кода Х₃... Х₀, а на вход матрицы R-2R - напряжение от эталонного источника U_REF.

Рассмотрим сначала работу матрицы R-2R. Для удобства предположим, что на вход ЦАП подан нулевой код (0000). Тогда выходными сигналами инверторов DD3,...,DD0 включены транзи­сторы VT_3.2,…,VT_0.2 переключателей S3,…,S0 , и нижние выводы всех резисторов 2R матрицы подключены к общей шине.

Работа матрицы R-2R основана на том, что выходное сопро­тивление любой отсекаемой от нее выходной части схемы, содер­жащей целое число R-2R звеньев определяется параллельным соединением двух цепей, сопротивления каждой из которых рав­но 2R. Поясним это. Между узлом "a" матрицы и общей шиной параллельно включены два резистора 2R. (VT_0.2 - включен). По­этому выходное сопротивление матрицы относительно узла "а" равно R. Между узлом "b" и общей шиной схемы также парал­лельно включены резистор 2R и последовательно соединенные резистор R и выходное сопротивление матрицы относительно узла "а", равное R. Поэтому выходное сопротивление матрицы, изме­ненное относительно узла "b", также равно R и т. д.

Согласно сказанному полное выходное сопротивление матрицы измеренное относительно узла "d", равно R, и ток, отбираемый  матрицей от источника U_REF

I_∑ =U_REF/R                  (7)

Так как сопротивления ветвей матрицы, подключенных к точке "d" равны, то

I₃=I_∑/2=U_REF/2R

Ток I₃, втекающий в узел "c", также разделится пополам, т. е. I₂=I₃/2=U_REF/2∙2R и т. д.

Из приведенного анализа видно, что через переключатели S3,…,S0 протекают токи, значения которых пропорциональны ве­совым коэффициентам двоичного кода.

Если на входы некоторых инверторов поданы сигналы лог 1, то в соответствующих переключателях S_i включены транзисторы VT_i1 и токи, пропорциональные весовым коэффициентам данных разрядов, попадают на инвертирующий вход ОУ. В этом случае согласно принципу суперпозиции, для входного тока ОУ справедливо выражение (5), а для выходного напряжения усилителя - выражение (6).

Определим напряжение, которое может быть сформировано на выходе схемы  при подаче на ее вход кода 1111 Из (6) с учетом (5) и (7) получаем

В общем случае, учитывая, что выражение в скобках представ­ляет сумму членов геометрической прогрессии со знаменателем 1/2 для b-разрядного кода можно записать

Полученные выражения показывают, что в ЦАП рассматриваемого типа максимальное выходное напряжение всегда на ∆U_ORN меньше опорного напряжения U_REF, причем

Это объясняется тем, что в последнем звене матрицы R-2R составляющая тока I₀ всегда, минуя вход ОУ, замыкается на общую шину устройства. Величина ∆U_ORN численно равна 1ЕМР. Следовательно, максимальное выходное напряжение ЦАП с суммированием токов всегда на величину абсолютной разрешающей способности меньше источника эталонного напряжения.

При выполнении рассмотренного устройства в виде ИС из нее иногда исключают источник эталонного напряжения U_REF и ОУ. Это позволяет расширить функциональные возможности устройства. В частности, если U_REF изменяется по заданному закону, схема может быть использована в качестве умножающего преобразователя.

Точность и стабильность параметров устройства в основновном  зависят от точности выполнения и стабильности сопротивлений резисторов. Обычно соблюдается условие R_OOC/R=1. Поэтому резистор Rоос=R вводится в состав ИС. В самой схеме все резисторы выполнены в виде идентичных по геометрическим размерам областей, одинаково ориентированных относительно осей кристалла. В качестве материала для резисторов используют пленку  поликремния, обладающую высокой стабильностью собственного сопротивления.

Погрешность выходных параметров также зависит от падений напряжения на транзисторах токовых переключателей S_i. Для компенсации этих погрешностей площади транзисторов выполняются пропорциональными протекающему через них току. Этим достигается равенство падений напряжения на токовых переключателях всех разрядов.

При увеличении числа разрядов рабочие токи матрицы R-2R уменьшаются и становятся соизмеримыми с собственными шумами используемых элементов. Так, для 12-разрядного ЦАП отношение токов старшего и младшего разрядов равно 2¹¹ =2048. Максимальный разрядный ток, определенный из условия допустимой рассеиваемой ИС мощности, обычно ограничивается на уровне в несколько миллиампер. Тогда токи младших разрядов ЦАП лежат на уровне десятых, сотых долей микроампера, что не позволяет обеспечить требуемую точность преобразования.

Решением проблемы является использование метода, подобного описанному ранее при рассмотрении счетчиков и сумматоров. Это выделение из структуры многоразрядного устройства нескольких однотипных ЦАП (групп) с меньшей разрядностью и после­дующим суммированием результатов, полученных в каждой из групп с помощью собственного масштабного сумматора. Реализа­цию данного принципа поясним с использованием структурной схемы 12-разрядного ЦАП, показанной на рисунке

Устройство состоит из трех 4-разрядных ЦАП. Так как крат­ность изменения сопротивлений в этом случае для каждого из них равна восьми, то для формирования весовых токов можно исполь­зовать как матрицы R-2R (см. рис. 23.6), так и взвешенные резисторы (см. рис 23.5). На входы первого ЦАП подаются старшие разряды входного кода (X₁₁,... ,Х₈), на входы второго ЦАП - средние разряды (Х7,…,Х4), а на входы третьего ЦАП - младшие разряды кода (Х₃,…,X₀). Выходной сигнал ЦАП старших разря­дов подается на выход устройства непосредственно, а сигналы ЦАП средних и младших разрядов через делители тока (R₁,R₃ и R₂,R₄), имеющие коэффициенты деления 1/16 и 1/128 соответственно. Таким образом при использовании рассматриваемой структурной схемы существует только два делителя с большими коэффициентами деления. В реальных схемах точность этих коэффициентов обеспечивается лазерной подгонкой соответствующих резисторов.