4.1. Будова і робота ЦАП

4.1. Будова і робота ЦАП

ІМС ЦАП, як правило, являють собою резисторні матриці. Матриця може бути виконана як дільник напруги із співвідношенням опорів, кратним : R-2R-4R-8R-16R і т.д. (застосовують рідко, оскільки технологічно важко забезпечити точні значення великих опорів резисторів, що відповідають старшим розрядам). Частіше матриця ЦАП являє собою дільник струмів із співвідношенням опорів R-2R. Також до ІМС, як правило, входять транзисторні ключі (наприклад, на польових К-МОН-транзисторах), що забезпечують вмикання потрібної комбінації резисторів за сигналами двійкового коду.

Так, ІМС К572ПА1 (виконана за К-МОН-технологією) призначена для перетворення 10-розрядного прямого паралельного двійкового коду на цифрових входах у струм на аналоговому виході. Її спрощену структуру наведено на рис. 4.1. Видно, що, окрім власне резисторної матриці R-2R, вона має ключі і вузли керування ними ВК. Вхідним аналоговим сигналом ЦАП є опорна напруга Uоп, що визначає значення напруги, яка відповідає молодшому двійковому розряду. Вхідний струм І0, що проходить під дією Uоп, ділиться за двійковим законом у вузлах резисторної матриці R-2R. З рис. 4.2 можна бачити: приведені до місць перетинів А-А, В-В та С-С опори частини резисторів, що відтинаються у напрямку стрілок, дорівнюють 2R і тому значення струмів, які проходять через резистори 2R, зменшуються удвічі зліва направо [6].

 

Рисунок 4.1 – Структура ІМС К572ПА1

Метод перетворення полягає в підсумовуванні у відповідності до заданих значень двійкового коду усіх розрядних струмів, зважених за двійковим законом і пропорційних значенню опорної напруги.

 

Рисунок 4.2 – Резисторна матриця R-2R

Струми віток резисторної матриці через ключі на К-МОН-транзисторах надходять на два аналогові виходи: на той чи інший – залежно від значень двійкових розрядів коду на відповідних цифрових входах. Значення струмів становлять:

для першого виходу -       (4.1)

для другого виходу –        (4.2)

де Uоп – опорна напруга;

Rекв – еквівалентний опір резисторної матриці, що має номінальне значення 10 кОм (фактично – від 7 до 15 кОм);

аі – пряме значення (для аі =1) двійкового коду на і-му вході;  

– інверсне значення (для аі=0) двійкового коду на і-му вході.

Двійковий закон розподілення струмів у вітках матриці виконується за умови однаковості потенціалів обох її виходів. Це забезпечується підмиканням першого виходу до інвертуючого входу допоміжного ОП, охопленого ВЗЗ, а другого – до неінвертуючого входу ОП і нульової точки схеми (як відомо, потенціали інвертуючого і неінвертуючого входів ОП, охопленого ВЗЗ, за умови роботи у лінійному режимі, майже однакові).

Отже, матриця R-2R підключається до ОП, утворюючи з ним інвертуючий підсилювач з програмованим коефіцієнтом підсилення. Його можна розглядати також як перетворювач струму, що надходить з виходу резисторної матриці, у напругу на виході ОП. У результаті кожному значенню двійкового коду на цифрових входах ЦАП відповідає деяке значення напруги на виході ОП, оскільки, забезпечуючи різницю потенціалів між своїми входами такою, що близька до нуля, ОП відводить через резистор зворотного зв’язку RЗЗ сумарний струм, що надходить до виходу (1) ІМС. Цей струм складається зі струмів резисторів 2R, підключених ключами до виходу (1) відповідно до значення двійкового коду і визначається розрядами аі =1.

Слід зазначити, що при практичній реалізації подібних пристроїв для зменшення взаємних впливів, що можуть призводити до збоїв у роботі, так звані “цифрову землю” і “аналогову землю” (обидві відповідають нульовому потенціалу схеми) слід виконувати у вигляді окремих провідників.

Аналітичний вираз, що зв’язує значення напруги на виході ОП зі значенням двійкового коду на цифрових входах ЦАП, такий:

,  (4.3)

де RЗЗ – опір резистора зворотного зв’язку;

b – кількість розрядів перетворювача (у даному разі – 10), причому старшим є розряд з індексом b.

Значення вихідної напруги в кінцевій точці діапазону становить

, (4.4)

а найменше при усіх  = 0 – дорівнює нулеві.

Розрахунковий приріст вихідної напруги при зміні вхідного коду на одиницю молодшого розряду (крок квантування) становить

. (4.5)

Реально найбільше значення вихідної напруги при значеннях усіх розрядів двійкового коду  = 1 становить

, (4.6)

оскільки десятирозрядний ЦАП працює з числами, що у десятковій системі числення відповідають від 0 до 1023.

Для забезпечення стабільності роботи задають RЗЗ = R, а сам резистор RЗЗ розміщують на кристалі ІМС разом із матрицею R-2R.

Електричну принципову схему цифроаналогового перетворювача,виконаного на основі ІМС К572ПА1, наведено на рис. 4.3. Якщо задати Uоп =10,24 В, то отримаємо U*вих.макс = =10,24 В, а h = 10 мВ при номінальному значенні вхідного струму матриці 1 мА (фактично – від 0,5 до 2 мА) [5].

 

Рисунок 4.3 – Цифроаналоговий перетворювач на основі ІМС К572ПА1

Точнісні показники перетворювача залежать від точності виконання співвідношень RЗЗ /R = 1 та R /2R = 0,5 для усіх ланок матриці.

Якщо формулу (4.3) переписати, вважаючи, що ,

,

отримаємо ,(4.7)

звідки видно, що даний ЦАП може бути використано також як помножувач аналогової величини Uоп (що може набувати значення від мінус 17 до +17 В) на двійкове число X.

Більш точними є ЦАП на основі методу перерозподілу заряду. Вони будуються на основі конденсаторної матриці із співвідношенням ємностей, кратним .

Такий ЦАП має три етапи роботи.

На першому етапі ОП, що також входить до його складу, працює як повторювач, а усі конденсатори матриці підімкнуто до вхідного контакту пристрою і накопичують заряд, пропорційний вхідній напрузі.

На другому етапі схема керування перемикає конденсатори від входу на нульовий провідник. Тепер на вхід ОП, що працює вже як нуль-орган, подається напруга, що дорівнює вхідній , але з протилежним знаком. На третьому етапі розпочинається перерозподіл заряду, коли до джерела опорної напруги Uоп підмикається спочатку конденсатор старшого розряду матриці. На вході нуль-органу отримуємо напругу, що дорівнює (0,5Uоп - ). Схема керування залежно від того, змінився стан на виході нуль-органу чи ні, залишає конденсатор у попередньому стані або знову перемикає його на нульовий провідник. Надалі те саме робиться з іншими конденсаторами, поки напруга на вході нуль-органу не знизиться до нуля і зміниться стан на його виході. Тоді відношення сумарної ємності, підімкненої до нульового провідника, до ємності, що була підімкнена до Uоп, буде еквівалентна відношенню Uвх/Uоп.

Підвищена точність ЦАП забезпечується тим, що пристрій час від часу переводиться у режим самоналаштування. У цьому режимі до кожного з конденсаторів матриці підмикаються допоміжні конденсатори малої ємності до того часу, поки сумарна ємність не стане більшою за суму ємностей конденсаторів молодших розрядів на ємність конденсатора най молодшого розряду. При цьому точність налаштування становить 0,25 ємності цього розряду.