2.1.3. Формирование выходного сигнала в виде напряжения

Как стало уже понятным из предыдущего изложения существует несколько способов формирования выходного напряжения для ЦАП с суммированием весовых токов. Два из них показаны на рис. 2.14.

На рис. 2.14, а приведена схема с преобразователем тока в напряжение на операционном усилителе (ОУ). Эта схема пригодна для всех ЦАП с токовым выходом. Поскольку пленочные резисторы, определяющие весовые токи ЦАП имеют значительный температурный коэффициент сопротивления, резистор обратной связи R_ос следует изготавливать на кристалле ЦАП и в том же технологическом процессе, что обычно и делается. Это позволяет снизить температурную нестабильность преобразователя в 300…400 раз.

Для ЦАП на МОП-ключах с учетом (2.7) выходное напряжение схемы на рис. 2.14, а.

Обычно сопротивление резистора обратной связи R_ос=R (см. рис. 2.8, а). В таком случае:

(2.12)

а) б)

Рис. 2.14. Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП

Большинство моделей ЦАП имеет значительную выходную емкость. Например, у AD7520 с МОП-ключами в зависимости от входного кода С_вых составляет величину 30…120 пФ, у AD565А с источниками тока С_вых=25 пФ. Эта емкость совместно с выходным сопротивлением ЦАП и резистором R_ос создает дополнительный полюс частотной характеристики петли обратной связи ОУ, который может вызвать неустойчивость в виде самовозбуждения. Особенно это опасно для ЦАП с МОП-ключами при нулевом входном коде. При R_ос=10 кОм частота второго полюса составит около 100 кГц при 100%-ной глубине обратной связи. В таком случае усилитель, частота единичного усиления которого f_т превышает 500 кГц, будет иметь явно недостаточные запасы устойчивости. Для сохранения устойчивости можно включить параллельно резистору R_ос конденсатор С_к, емкость которого в первом приближении можно взять равной С_вых. Для более точного выбора С_к необходимо провести полный анализ устойчивости схемы с учетом свойств конкретного ОУ. Эти мероприятия настолько серьезно ухудшают быстродействие схемы, что возникает парадоксальная ситуация: для поддержания высокого быстродействия даже недорогого ЦАП может потребоваться относительно дорогой быстродействующий (с малым временем установления) ОУ.

Ранние модели ЦАП с МОП ключами (AD7520, 572ПА1 и др.) допускают отрицательное напряжение на ключах не выше 0,7 В, поэтому для защиты ключей между выходами ЦАП следует включать диод Шоттки, как это показано на рис. 2.14, а.

Д

Рис. 2.15. Инверсное включение ЦАП с МОП-ключами

ля цифро-аналогового преобразователя на источниках тока преобразование выходного тока в напряжение может быть произведено с помощью резистора (рис. 2.14, б). В этой схеме невозможно самовозбуждение и сохранено быстродействие, однако амплитуда выходного напряжения должна быть небольшой (например, для AD565А (1164.pdf) в биполярном режиме в пределах ± 1 В). В противном случае транзисторы источников тока могут выйти из линейного режима. Такой режим обеспечивается при низких значениях сопротивления нагрузки: R_н 1 кОм. Для увеличения амплитуды выходного сигнала ЦАП в этой схеме к ее выходу можно подключить неинвертирующий усилитель на ОУ.

Для ЦАП с МОП-ключами, чтобы получить выходной сигнал в виде напряжения, можно использовать инверсное включение резистивной матрицы (рис. 2.15).

Для расчета выходного напряжения найдем связь между напряжением U_i на ключе S_i и узловым напряжением U'_i . Воспользуемся принципом суперпозиции. Будем считать равными нулю все напряжения на ключах, кроме рассматриваемого напряжения U_i. При R_н=2R к каждому узлу подключены справа и слева нагрузки сопротивлением 2R. Воспользовавшись методом двух узлов, получим

Выходное напряжение ЦАП найдем как общее напряжение на крайнем правом узле, вызванное суммарным действием всех U_i. При этом напряжения узлов суммируются с весами, соответствующими коэффициентам деления резистивной матрицы R-2R. Получим:

Для определения выходного напряжения при произвольной нагрузке воспользуемся теоремой об эквивалентном генераторе. Из эквивалентной схемы ЦАП на рис. 2.16 видно, что:

Рис. 2.16

(2.13)

Откуда э.д.с. эквивалентного генератора

(2.14)

Эквивалентное сопротивление генератора R_э совпадает со входным сопротивлением матрицы R-2R, т.е. R_э=R. При R_н=2R из (2.14) получим:

(2.15)

Подставив (2.15) в (2.13), для произвольной нагрузки получим

В частности, при R_н=:

(2.16)

Недостатками этой схемы являются: большое падение напряжения на ключах, изменяющаяся нагрузка источника опорного напряжения и значительное выходное сопротивление. Вследствие первого недостатка по этой схеме нельзя включать ЦАП типа 572ПА1 или 572ПА2, но можно 572ПА6 и 572ПА7. Из-за второго недостатка источник опорного напряжения должен обладать низким выходным сопротивлением, в противном случае возможна немонотонность характеристики преобразования. Тем не менее, инверсное включение резистивной матрицы довольно широко применяется в ИМС ЦАП с выходом в виде напряжения, например, в 12-ти разрядном МАХ531, включающем также встроенный ОУ в неинвертирующем включении в качестве буфера, или в 16-ти разрядном МАХ542 без встроенного буфера. 12-ти разрядный ЦАП AD7390 (1957.pdf) построен на инверсной матрице с буферным усилителем на кристалле и потребляет всего 0,3 мВт мощности. Правда его время установления достигает 70 мкс.

К параллельным ЦАП c выходом напряжения, использующим инверсное включение резистивной матрицы принадлежат серийные ИМС фирмы Analog Devices DAC8652 (1896.pdf), AD7224 (1257.pdf), DAC8512 (1895.pdf), AD8522 (1427.pdf), AD8582 (1428.pdf) AD8600 (1429.pdf); фирмы MAXIM — MAX7224 (1358.pdf), MAX503 (1115.pdf), MAX530 (1122.pdf), MAX 507,508 (1543.pdf) и др.

Ниже на рисунках приведены структурные схемы и схемы включения некоторых серийных ЦАП из этого списка. Следует отметить, что схемы включения зависят от схемотехнической реализации выходного буферного усилителя, построенного на операционном усилителе.

Так, например, если буферный усилитель представляет собой повторитель на ОУ (рис. 2.17, а), то для получения двуполярного выхода используется внешний ОУ (см. рис. 2.17, в), вычитающий из выходного напряжения ЦАП половину напряжения полной шкалы и умножающий эту разность на 2. Согласно принципу суперпозиции выходное напряжение схемы рис. 2.17, в определяется как:

При R₂=R₁, имеем:

(2.17)

а)

б) в)

Рис. 2.17. ЦАП AD7224: а — структурная схема, б — схема с однополярным выходом, в — схема с биполярным выходом

б) в)

а) г) д)

Рис. 2.18. ЦАП с инверсной РМ и выходом по напряжению MAX5300: а — функциональная схема; б — униполярное включение 0<U_вых<2.048V; в — униполярное включение 0<U_вых<4.096V; г — биполярное включение –2.048<U_вых<2.048V; д — четырехквадрантный перемножитель.

У ЦАП с инверсной резистивной матрицей и другой схемой включения выходного буферного ОУ (см. рис. 2.18, а) можно более просто реализовать биполярный режим (рис. 2.18, г, д). Для работы ЦАП в униполярном включении свободный вывод верхнего по схеме резистора R_OFS не подключают или включают в параллель с R_FB (рис. 2.18, б), либо подключают к общей точке схемы для удвоения выходного напряжения (рис. 2.18, в). Для работы в биполярном включении свободный вывод этого резистора соединяют со входом опорного напряжения ЦАП (рис. 2.18, г, д). ОУ в этом случае работает в дифференциальном включении и его выходное напряжение с учетом (2.16):

(2.18)

Схема делителя на основе ЦАП с выходом в виде напряжения, построенном на инверсной резистивной матрице и включающем буферный ОУ, приведена на рис. 2.19. Выходное и входное напряжения этой схемы связаны уравнением:

Рис. 2.19. Двухквадрантный делитель на основе ЦАП с инверсной РМ

(2.19)

Отсюда следует:

В данной схеме усилитель охвачен как положительной, так и отрицательной обратными связями. Для преобладания отрицательной обратной связи (иначе ОУ превратится в компаратор) необходимо выполнение условия A<2^n-1 или N<1/2. Это ограничивает значение входного кода нижней половиной шкалы.

Рассмотренные 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 плотность на поверхности кристалла и позволяют снизить до минимума паразитные емкости и индуктивности резисторов и соединительных проводников. Однако такие преобразователи также имеют недостатки. Наиболее существенный – сильное влияние на точность преобразования нестабильности сопротивления ключей в замкнутом состоянии, что снижает временную и температурную стабильность их характеристик.