11. Цифроаналоговые преобразователи (цап)

Устройство, осуществляющее автоматическое преобразова­ние входных значений, представленных числовыми кодами, в эквивалентные им значения какой-нибудь физической величины (например, напряжения), называется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП). Устройство преобразова­ния обеспечивает соответствие между входным числовым значением N(t_i) и ее аналоговым эквивалентом х(t_i). Коли­чественная связь между входными и выходным сигналами для любого момента времени t_i определя­ется соотношением х(t_i) = N(t_i)x ± х_i, где х  шаг кванто­вания по уровню (аналоговый эквивалент единицы младшего разряда кода); х_i  погрешность преобразования.

К основным параметрам ЦАП относятся диапазон изме­нения входных и выходных значений, временные пара­метры (быстродействие), погрешность преобразования.

Диапазон изменения входных и выходных значений (динамический диапазон) определяется отношением макси­мального значения входной или выходной величины преоб­разователя к минимальному:

. (11.1)

При линейном преобразовании входное и выходное зна­чения имеют одинаковый динамический диапазон, который выражают числом разрядов цифрового кода или в деци­белах.

В случае, когда минимальное значение равно нулю, диапазон изменения определяется равенством

. (11.2)

где х и   допустимые абсолютные погрешности пре­образования.

Временные параметры определяют быстродействие пре­образователей. Различают три временных параметра:

1. шаг или период квантования t;

2. время преобразования или время установления t_пр (т. е. задержка вход-выход);

3. длительность цикла преобразования t_Ц.

Шаг (период) квантования t определяется как интервал времени между двумя последовательными преобразованиями. Значение, обратное периоду квантования, 1/t = f_кв, называется час­тотой квантования.

Временем преобразования t_пр выходного напряжения или тока является интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента установления выходного аналогового сигнала (рис. 11.1).

Длительность цикла преобразования t_ц  время между моментом подачи входного кода и выдачей выходного аналогового сигнала (t_ц  t_пр). Этот параметр определяется в основном временными диаграммами, описываю­щими работу ЦАП.

Важным параметром ЦАП является погрешность преобразо­вания (или статическая погреш­ность). Она характеризуется по­грешностью (шумом) кван­тования и инструментальной погрешностью. В общем случае по­грешность квантования можно представить как

= х(t)  N_t x = x(t)  x_дискр(t). (11.3)

Аппаратурная погрешность, определяемая нестабиль­ностью источника опорного напряжения, погрешностью ключей, резистивных матриц и выходных операционных усилителей (ОУ), называется инструментальной по­грешностью. Основными факторами, вызывающими воз­никновение погрешностей элементов, являются:

1. технологи­ческий разброс параметров; влияние изменений окружающей среды (в основном температуры);

2. изменение параметров во времени (старение);

3. воздействия внешних и внутренних шумов и помех.

Все инструментальные погрешности проявляются в основ­ном в следующих видах:

1. в виде смещения нуля, характери­зующего параллельный сдвиг передаточной характеристики ЦАП от усредненной прямой (вызывается напряжением смещения нуля и ненулевым входным током ОУ, а также остаточными параметрами ключей);

2. в виде изменения коэффи­циента передачи, характеризующего отклонения крутизны реальной передаточной характеристики от усредненной пря­мой;

3. в виде отклонения передаточной характеристики преобра­зователя от идеальной прямой (такая нелинейность преоб­разования проявляется как неидентичность приращений выходного сигнала в функции от входного кода).

Существует два широко распространенных способа цифроаналогового преобразования с использованием:

1. резистивной матрицы с весовыми двоично-взвешенными сопротив-лениями;

2. матрицы с двумя номиналами сопротив­лений, которую обычно называют матрицей R  2R.

Ц АП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями (рис. 11.2) состоит из следующих компонентов: п ключей, по одному на каждый разряд, управляемых преобразуемым двоичным кодом N; матрицы двоично-взвешенных резисто­ров; источни-ка опорного напряжения u_оп; выходного опе­рационного усилии-теля, с помощью которого суммируются токи, протекающие через двоично-взвешенные сопро-тивле­ния, для получения анало-гового выходного сигнала u_вых, пропорционального цифровому коду.

Рис. 11.2. ЦАП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями

Если требуется преобразование с высокой точностью, то ЦАП с двоично-взвешенными резисторами должен содержать резисторы широкого ряда номиналов сопротивлений и подобранные для каждого разряда полупроводниковые ключи. ЦАП с двумя номиналами сопротивлений (см. рис. 11.3) исключает эти сложности, благодаря наличию дополни­тельного резистора в каждом разряде. Так как эта матрица резисторов является линейной цепью, ее работу можно проанализировать методом супер­позиции, т. е. вклад в выходное напряжение от каждого источника (разряда) рассчитать независимо друг от друга. Вклады от каждого разряда суммируются для получения на выходе ЦАП результата в виде напряжения.

Так как эта матрица резисторов является линейной цепью, ее работу можно проанализировать методом супер­позиции, т. е. вклад в выходное напряжение от каждого источника (разряда) рассчитать независимо друг от друга. Вклады от каждого разряда суммируются для получения на выходе ЦАП результата в виде напряжения.

В

Рис. 11.3. ЦАП с матрицей R  2R с суммированием токов

рассмотренной схеме ЦАП используется токовый ре­жим работы суммирующего элемента, т. е. ОУ выполняет суммирование токов. Соответственно формирова-ние разряд­ных токов осущест-вляется с помощью ключей, коммути­рующих токи (токовых ключей). По схеме, изображенной на рис. 11.3, реализованы серийно выпускаемые ИМС 10- и 12-разрядных ЦАП К572ПА1, К572ПА2 с временем преобразо-вания соответственно 5 и 15 мкс.

Рассмотрим несколько подробнее внутреннюю структуру интегральной схемы ЦАП К572ПА1 и ее применения.

Микросхема умножающего ЦАП типа К572ПА1 (А,Б,В,Г) является универсальным структурным звеном для построения микроэлектронных ЦАП, АЦП и управляемых кодом делителей тока. Благодаря малой потребляемой мощности, достаточно высокому быстродействию, возможности реализации полного двух- и четырехквадрантного умножения, небольшим габаритам ЦАП К572ПА1 находит широкое применение в различной аппаратуре. Все ее элементы выполнены в одном кристалле.

Микросхема поставляется потребителям в герметичном 16-выводном металлокерамическом корпусе типа 201.16-8 с двухрядным вертикальным расположением выводов.

Микросхема ЦАП К572ПА1 предназначена для преобразования 10-разрядного прямого параллельного двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе, который пропорционален значениям кода и (или) опорного напряжения. Она выполнена по КМОП технологии с поликремневыми затворами.

В состав ИС ЦАП К572ПА1 входят прецизионная поликремневая резисторная матрица (РМ) типа R  2R, усилители-инверторы (УИ) для управления токовыми ключами, токовые двухпозиционные ключи, выполненные на КМОП транзисторах (рис. 11.4).

Для работы в режиме с выходом по напряжению к ИС ЦАП К572ПА1 подключаются внешние ИОН и ОУ с цепью отрицательной обратной связи (ООС), работающей в режиме суммирования токов.

Нумерация и назначение выводов микросхемы: 1  аналоговый выход 1; 2  аналоговый выход 2; 3  общий вывод; 4  цифровой вход 1 (СР); 512  цифровые входы 29; 13-цифровой вход 10 (МР); 14  напряжение источника питания; 15  опорное напряжение; 16  вывод резистора обратной связи.

Метод преобразования, используемый в интегральной схеме К572ПА1, предполагает суммирование в соответствии с заданным значением двоичного кода всех разрядных токов, взвешенных по двоичному закону и пропорциональных значению опорного напряжения на выводе 15.

Входной ток задается внешним ИОН и последовательно делится в узлах РМ R  2R по двоичному закону (рис. 11.5). Нетрудно убедиться, что приведенное к месту сечений АА', ВВ', СС’ сопротивление части резисторов, отсекаемых в направлении стрелок, равно 2R. Токи ветвей РМ поступают через ключевые КМОП транзисторы на аналоговые выходы 1 и 2 в зависимости от значений кода на входах УИ. При появлении на одном из входов ЦАП напряжения высокого уровня (a_i  = 1) ток соответствующей ветви РМ поступает на выход 1, а при подаче напряжения низкого уровня (a_i = 0)  на выход 2.

Значения токов I₁ и I₂ на выходах 1 и 2 интегральной схемы определяются из выражений:

, , (11.4)

где  эквивалентное сопротивление РМ, равное 10 кОм;  значение двоичного кода на цифровом входе S_i;  инверсное значение двоичного кода на цифровом входе S_i;

Двоичный закон распределения токов в ветвях РМ соблюдается при условии равенства потенциалов выходов 1 и 2. Это обеспечивается подключением выхода 1 к инвертирующему входу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью. Неинвертирующий вход ОУ соединяется с выходом 2 и с шиной аналоговой земли. При этом осуществляется преобразование тока на выходе 1 в пропорциональное ему напряжение на выходе ОУ. Резистор R_ос определяет значение коэффициента преобразования и напряжения в конечной точке шкалы. В аналитической форме связь напряжения на выходе ОУ со значением двоичного кода на выходе определяется выражением

, (11.5)

где b  число разрядов преобразования. Разряд кода с индексом 1 является старшим (СР), а разряд с индексом b  младшим (МР).

Максимальное значение выходного напряжения (напряжения в конечной точке диапазона) при a_i = 1 для всех разрядов кода определяется по формуле

, (11.6)

где минимальное напряжение при a_i = 0 во всех разрядах кода равно нулю. Шаг квантования, т.е. расчетное приращение выходного напряжения при изменении входного кода на единицу младшего разряда, составляет

. (11.7)

Реальное напряжение в конечной точке шкалы

. (11.8)

Для достижения стабильности основных параметров преобразования при воздействии внешних факторов резистор обратной связи R_ос = R размещен на кристалле микросхемы. При использовании ИОН U_REF = 10,24 В с внутренним резистором R_ос значение U_ORN = 10,24 В, а h = 10 мВ. Номинальное значение выходного тока составляет 1 мА, но фактическое может изменяться в пределах от 0,5 до 2 мА.

Значения основных параметров интегральной схемы зависят в первую очередь от точности соблюдения отношения R_ос/R = 1 и R/2R = 0,5 для всех звеньев РМ. Поэтому резисторы выполнены в виде идентичных по геометрическим размерам областей, одинаково ориентированных относительно осей кристалла. В качестве резистивного материала использована выращенная на поверхности кристалла методом вакуумного осаждения тонкая пленка поликристаллического кремния с высокой стабильностью сопротивления. Транзисторы токовых ключей выполнены так, что их сопротивления в проводящем состоянии достаточно малы и обратно пропорциональны протекающему току.

Основные электрические параметры при температуре окружающей среды 25  10 ^оС представлены в табл. 11.1.

Таблица 11.1

Параметр	Не менее	Не более
Число разрядов b	10	10
Дифференциальная нелинейность LD , %: К572ПА1А К572ПА1Б К572ПА1В К572ПА1Г	0,1 0,2 0,4 0,8	0,1 0,2 0,4 0,8
Время установления выходного тока tsI , мкс		5
Выходной ток смещения нуля I0, нА		100
Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы Fs, МР	30	+30
Ток потребления Icc, мА		2

Динамические свойства интегральной схемы К572ПА1 характери-зуются временем установления выходного тока при включении СР и одновременном выключении всех остальных разрядов, т.е. на так называемом главном переходе. При этом наблюдается наиболее длительный и сложный переходный процесс со значительными выбросами.

Микросхема ЦАП обладает помехозащищенностью 0,4 В при уровнях U_IL < 0,4 В и U_IH > U_cc  0,5 В. Типовое (среднее) значение _L при Т = 2510 С составляет  0,1 % для К572ПА1А,  0.2 % для К572ПА1Б и  0,4 % для К572ПА1В (Г). Нормы на другие электрические параметры представлены в табл. 11.2.

Представленные нормы на электрические параметры интегральной схемы и возможность ее согласования с КМОП цифровой интегральной схемы обеспечиваются при напряжении источника питания 15 В  10 % и опорном напряжении 10,24 В. Для работы ЦАП с ТТЛ схемами требуются дополнительные резисторы согласования уровней. Непосредственное согласование ЦАП с ТТЛ цифровой интегральной схемы возможно при питании от источника 5 В  10 %. Однако электрические параметры преобразователя в этом случае ухудшаются.

Таблица 11.2

Типовые значения некоторых электрических параметров микросхем ЦАП К572ПА1
Температурный коэффициент LD, %  C, не более	3,5  106
Температурный коэффициент FS, %  C, не более	15  106
Рассеиваемая мощность при UREF = 10В, мВт, не более	20
Входной ток IIH по цифровым входам, мкА, не более	1
Выходной ток IORN при UREF = 22.5 В, мА, не более	3,5
Сопротивление ЦОС и эквивалентноесопротивление РМ, кОм	10

Преобразователь К572ПА1 допускает работу при напряжении питания в диапазоне от 5 до 17 В и изменении опорного напряжения в пределах 17 В без гарантии норм на параметры.

При эксплуатации ЦАП К572ПА1 необходимо учитывать ряд его специфических свойств, связанных с выполнением интегральной схемы по КМОП технологии. Так, ток, потребляемый ЦАП от источника питания, зависит от уровня цифровых сигналов на входе. При некоторых значениях сигналов между уровнями логических 0 и 1 ток потребления максимален и может в несколько раз превышать норму.

Для исключения перегрева кристалла интегральной схемы цифровые сигналы должны иметь крутые фронты и установленные уровни логических 0 и 1. Сигналы на цифровых входах не должны принимать отрицательных значений и превышать уровень напряжения питания. Незадействованные цифровые входы заземляются.

При работе с ЦАП К572ПА1 рекомендуется следующая последова-тельность подачи электрических режимов: потенциал земли, напряжение питания, опорное напряжение, напряжение на цифровые входы. Порядок снятия напряжения  обратный. Если уровни цифровых сигналов не превышают 5,5 В, то подача режимов может быть произвольной. Опорное напряжение на вход 15 интегральной схемы может подаваться любой полярности и формы.

Не допускается подавать напряжения отрицательного диапазона и более U_cc на выводы 1 и 2, менее 0 и более U_cc на все выводы ЦАП, кроме 1, 2 и 15.

Основная схема включения интегральной схемы ЦАП К572ПА1 (рис. 11.6) позволяет реализовать двухквадрантное умножение и обеспечивает функцию униполярного преобразования двоичного кода в напряжение на выходе внешнего ОУ. Выходное напряжение формируется в пределах от 0 до U_REF. Связь между напряжением на выходе 1 микросхемы и двоичным кодом на цифровых входах ЦАП однозначна (см. табл. 11.3).

Таблица 11.3

Входной цифровой код	Выходное напряжение
0000000000	0
0000000001	210UREF
……….	……….
1000000000	21UREF
……….	……….
1111111111	(1  210) UREF

Для сохранения точности ЦАП следует использовать интегральную схему ОУ с напряжением смещения не более 5 мВ (т.е. 0,5 значения младшего разряда). Необходимо, чтобы время установления ОУ не превышало 2–5 мкс.

Обычно совместно с ЦАП К572ПА1 используется интегральная схема ОУ типа К154УД3, у которого напряжение смещения нуля равно примерно 8 мВ и время установления 0,5 мкс. На рис. 11.6 показана принципиальная схема униполярного ЦАП типа «код–напряжение», работающего с ОУ К154УД3 и управляемого по входу стандартными цифровыми КМОП-уровнями.

Для защиты схемы преобразователя от помех по цепям питания ОУ используются конденсаторы С₂ и С₃ типа К50-24 и конденсатор С₁типа КМ56-П33. Для защиты выводов ЦАП 1 и 2 от случайного попадания отрицательного напряжения, один из них (2) заземляют, а другой (1) подключают к общему проводу (земле) через пару диодов (VD₁ и VD₂), включенных встречно-параллельно. Используются диоды Шотки типа КД514А, размещенные непосредственно у корпуса интегральной схемы.

На рис. 11.7 приведена принципиальная схема биполярного преобразователя типа «код–напряжение», в которой используются два внешних ОУ. Схема формирует выходное напряжение в пределах от –U_REF до U_REF. Режим биполярного преобразования реализуется вычитанием выходных токов интегральной схемы ЦАП, протекающих по цепям его выводов 1 и 2 ( и ). Инвертирование тока производится операционным усилителем А₁. На входе ОУ А₂ осуществляется их суммирование. В качестве ОУ в схеме использованы интегральные схемы К154УД3. Напряжение на выходе ЦАП определяется по формуле

. (11.9)

Зависимость напряжения на выходе схемы (рис. 11.7) от входного цифрового кода однозначна и определяется соотношениями, представленными в табл. 11.4.

Следует отметить, что в данной схеме невозможно получение точного нулевого значения напряжения на выходе. В схеме на рис. 11.7 в цепи обратной связи ОУ А₂ использован внутренний резистор ЦАП с сопротивлением, равным R_экв. Частотная коррекция усилителей А₁ и А₂ осуществляется конденсаторами С₁ и С₂ типа КМ56-П33. Конденсаторы С₃ и С₄ (типа К50-24) используются для защиты от помех по цепям питания. Диоды VD₁ и VD₂ типа КД514А. Погрешность преобразования в данной схеме определяется разбросом номиналов и степенью согласования резисторов R₁ и R₂ (они выбираются одного номинала и должны иметь марку С2-29В-0,125).

Таблица 11.4

Входной цифровой код	Выходное напряжение
0000000000	(1  210) UREF
……….	……….
0111111111	0,5 МР
1000000000	0,5 МР
……….	……….
1111111111	 (1  210) UREF

При включении интегральной схемы ЦАП К572ПА1 в биполярном режиме рекомендуется использование интегральных схем ОУ сдвоенного типа К140УД20 (на одном кристалле два одинаковых ОУ). Напряжение смещения у этой микросхемы не превышает 5 мВ, а частота среза – 550 кГц.

На рис. 11.8 показана принципиальная схема униполярного ЦАП в режиме преобразования «код–напряжение», снабженного мощным выходным усилительным каскадом. С ее помощью можно сформировать задаваемое двоичным кодом напряжение, изменяющееся в пределах от 0 до 10 В при токе нагрузки 0,5 А.

Выходной каскад схемы, представленной на рис. 11.8, выполнен на комплементарной паре транзисторов типа КТ815Б (VT₁) и КТ814В (VT₂). Опорное напряжение формируется прецизионным стабилитроном VD₁ типа Д814Г. Максимальное напряжение U_ORN регулируется с помощью сопротив-ления R₂ типа СП5-85Б.

На рис. 11.9 показано устройство вывода с двумя интегральными схемами ЦАП К572ПА1, включенными совместно с ОУ К140УД6 (A₁ и А₂) для управления пером графопостроителя по координатам X и Y, и БИС МП КР580ИК55, у которой задействованы порты A, B₁ (линии РА0  РА7, РВ0  РВ7) и четыре линии порта С (РС0  РС3). Линия РС7 порта С служит для управления подъемом и опусканием пера графопостроителя. Для исключения скачкообразных перемещений пера и получения неискаженного вывода графической информации необходимо проводить ее линейную интерполяцию по специальной программе.

Кроме представленных выше, существует ЦАП, использующий режим работы сумми­рующего элемента, близкий к холостому ходу (ОУ сумми­рует напряжения), см. рис. 11.10.

ЦАП с резистивными матрицами R  2R, в отличие от ЦАП с двоично-взвешенными резисторами, не требуют широкого диапазона номиналов резисторов и поэтому легко реализуются полупроводниковой интегральной технологией. Матрицы R  2R занимают меньшую площадь на поверх­ности кристалла и позволяют снизить до минимума пара­зитные емкости и индуктивности резисторов и соединитель­ных проводников.

Однако преобразователи с резистивными матрицами R  2R также имеют недостатки. Наиболее существенный  сильное влия­ние на точность преобразования нестабильности сопротив­лений ключей в замкнутом состоянии, что снижает времен­ную и температурную стабильность их характеристик. Указанный недостаток в значительной степени удается устранить в схемах, где разрядные токи формируются с помощью активных элементов (генераторов тока). Одна из таких схем представлена на рис. 11.11.

В этой схеме матрица R  2R используется для формирования двоично-взве­шенных токов. Источники тока, выполненные на транзисто­рах T₀, Т₁, ..., T_n-1 вместе с эталонными резисторами R_э, вырабатывают одинаковые токи I, поступающие на выход с помощью ключей Кл₀ , Кл₁ ..., Кл_n-1, управляемых вход­ным кодом N. Эти токи подключаются к двоичному де­лителю, реализованному на резистивной матрице R  2R, который ослабляет их на выходе в соответствии с весовыми коэффициентами. Выходной ток ЦАП

.

Рис. 11.11. ЦАП с источниками тока на активных элементах

Среди серийно выпускаемых ИМС, в которых разрядные токи формируются на основе гене-раторов тока, можно ука­зать 12-разрядные ЦАП К594ПА1, К1108ПА1 с временем преобра-зования 3,5 и 0,4 мкс.

Отметим следующие преимущества ЦАП с токовыми ключами: высокое быстродействие, обусловленное малыми перепадами напряжений в коммутируемых цепях, малыми постоянными времени и ускоренным перезарядом паразит­ных емкостей; технологичность изготовления, обусловленная однородностью структуры. Для получения биполярного выходного сигнала, соот­ветствующего рассматриваемым входным кодам, применя­ют различные выходные схемы ЦАП. Можно построить ЦАП с суммированием токов, учитывая ту особенность до­полнительного кода, что старший разряд включен при преобразовании отрицательных значений и выключен при преобразовании положительных и нулевых (рис. 11.12, а). Здесь на инвертирующий вход операционного усилителя поступает ток старшего разряда I_n, а на неинвертирующий  токи всех остальных разрядов I_вых.

В схеме рис. 11.12, б выходной ток ЦАП I_вых поступает на вход инвертирующего усилителя ОУ и преобразуется в напряжение противоположной полярности. Это напряже­ние подается на верхний контакт ключа и на вход сле­дующего инвертирующего ОУ₂, где преобразуется в напря­жение той же полярности, что и на выходе ЦАП. В ре­зультате, к верхнему и нижнему контактам ключа, управ­ляемого знаковым разрядом входного кода а, (прямой код со знаком), приложены одинаковые по амплитуде, но про­тивоположные по знаку потенциалы. В зависимости от а_n соответствующий потенциал подается на вход повторителя ОУ_З.