Глава 9 Цифроаналоговые преобразователи (цап) с суммированием токов

Простейшим цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) является одноразрядный преобразователь. В качестве такого ЦАП может служить простой усилитель-ограничитель, в качестве которого можно применить логический инвертор. Схема такого цифро-аналогового преобразователя приведена на рисунке 9.1.

  Рисунок 9.1. Принципиальная схема одноразрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)

Одноразрядный ЦАП преобразует в аналоговую форму знак числа. Для цифро-аналогового преобразования на очень высокой частоте дискретизации, во много раз превышающей частоту Котельникова, такого ЦАП вполне достаточно, однако, в большинстве случаев для цифро-аналогового преобразования требуется большее количество разрядов. Известно, что двоичное число описывается следующей формулой:

(1)

Для преобразования цифрового двоичного кода в напряжение можно воспользоваться данной формулой непосредственно, т. е. применить аналоговый сумматор. В этом случае аналоговый сумматор напряжений будет работать в качестве цифроаналогового преобразователя. Схема ЦАП, работающего по описанному принципу, приведена на рисунке 9.2.

  Рисунок 9.2. Принципиальная схема четырехразрядного цифро-аналогового преобразователя

В данной схеме предполагается, что потенциал второго вывода резисторов равен нулю. Это обеспечивается параллельной отрицательной обратной связью операционного усилителя, которая уменьшает входное сопротивление усилиреля. Коэффициент передачи вы

На схеме, приведенной на рисунке 9.2, предполагается, что операционный усилитель питается от двухполярного источника питания. При этом если на выходе регистра будет присутствовать логическая единица, то она будет преобразована в ток, соответствующий двоичному разряду при помощи резистора. При этом ток младшего разряда будет в восемь раз меньше тока старшего разряда.

В схеме, приведенной на рисунке 9.2, ток нуля и ток единицы выходного каскада регистра должен совпадать. Стабильность выходного тока и напряжения обеспечивается стабильностью напряжения питания параллельного регистра. Однако обычно напряжение питания цифровых микросхем сильно зашумлено. Этот шум будет присутствовать и в выходном сигнале. Это нежелательно, поэтому в схеме цифро-аналогового преобразователя выходные ключи запитываются от высокостабильного малошумящего источника опорного напряжения (ИОН).

Глава 10 Цифроаналоговые преобразователи r-2r

Цифроаналоговый преобразователь с взвешиванием токов прост для понимания принципов работы, однако обладает рядом недостатков. Первый из них — это требование к высокой точности изготовления резисторов. Если разброс тока старшего разряда окажется больше значения тока младшего разряда, то ЦАП не будет выполнять свою функцию.

Второй недостаток связан с влиянием паразитных емкостей схемы. При больших разрядностях ЦАП с взвешиванием токов приходится применять высокоомные резисторы. Это приводит к большому времени заряда и разряда паразитной емкости микросхемы, что ограничивает ее быстродействие.

Ну и, наконец, сами резисторы. Высокоомные резисторы занимают огромную площадь на кристалле микросхемы. Все эти недостатки привели к поиску другого схемотехнического решения цифроаналогового преобразователя. Таким решением стало применение матрицы R-2R. Принцип формирования опорных напряжений матрицей R-2R приведен на рисунке 10.1.

  Рисунок 10.1. Матрица резисторов R-2R

В матрице резисторов R-2R формируется ряд напряжений, отличающихся друг от друга ровно в два раза. Рассмотрим этот механизм. В конце резистивной цепочки находятся два резистора с сопротивлением 2R. Эти резисторы одним концом соединены друг с другом, другие концы присоединены к корпусу схемы, то есть резисторы соединены параллельно. В результате их общее сопротивление равно R. При соединении резистора R и параллельного соединения двух резисторов 2R образуется делитель напряжения с коэффициентом деления 2. В результате напряжение на его выходе будет в два раза меньше напряжения на его входе.

Общее сопротивление делителя составляет 2R, так как сопротивления R в нем соединены последовательно. В результате в следующем звене матрицы ситуация повторяется. Снова образуется параллельное соединение двух резисторов 2R и снова образуется делитель напряжения в два раза. Так как напряжения в узлах матрицыR-2R отличаются друг от друга ровно в два раза, то и ток через резисторы 2R будет отличаться ровно в два раза, то есть подчиняться двоичному закону. Если теперь эти токи подавать или не подавать на вход сумматора токов в зависимости от входного двоичного числа, то мы получим цифроаналоговый преобразователь.

Схема подобного цифроаналогового преобразователя с применением матрицы R-2R приведена на рисунке 10.2.

  Рисунок 10.2. Принципиальная схема четырехразрядного цифро-аналогового преобразователя R-2R