2.1.4. Цап на источниках тока

Указанный недостаток в значительной степени удается устранить в схемах, где разрядные токи формируются с помощью активных элементов (генераторов тока).

ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличие от предыдущего варианта, в котором весовые токи формируются резисторами сравнительно небольшого сопротивления и, как следствие, зависят от сопротивления ключей и нагрузки, в данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. Упрощенная схема ЦАП на источниках тока приведена на рис. 2.20.

В

Рис. 2.20. Схема ЦАП на источниках тока

есовые токи формируются с помощью резистивной матрицы. Потенциалы баз транзисторов одинаковы, а чтобы были равны и потенциалы эмиттеров всех транзисторов, площади их эмиттеров делают различными в соответствии с весовыми коэффициентами. Правый резистор матрицы подключен не к общей шине, как на схеме рис. 2.4, а к двум параллельно включенным одинаковым транзисторам VT₀ и VT_н, в результате чего ток через VT₀ равен половине тока через VT₁. Входное напряжение для резистивной матрицы создается с помощью опорного транзистора VT_оп и операционного усилителя ОУ1, выходное напряжение которого устанавливается таким, что коллекторный ток транзистора VT_оп принимает значение I_оп. Выходной ток для N-разрядного ЦАП.

(2.20)

Характерными примерами ЦАП на переключателях тока с биполярными транзисторами в качестве ключей являются 12-разрядный 594ПА1 с временем установления 3,5 мкс и погрешностью линейности не более 0,012% и 12-разрядный AD565 (1164.pdf), имеющий время установления 0,2 мкс при такой же погрешности линейности, AD561 (1161.pdf), DAC08 (1618.pdf). Еще более высоким быстродействием обладает AD668 (1280.pdf), имеющий время установления 90 нс и ту же погрешность линейности. Из новых разработок можно отметить 14-разрядный AD9764 со временем установления 35 нс и погрешностью линейности не более 0,01%.

В

Рис. 2.21. Переключатель тока на дифференциальных усилителях

качестве переключателей тока S_k часто используются биполярные дифференциальные каскады, в которых транзисторы работают в активном режиме. Это позволяет сократить время установления до единиц наносекунд. Схема переключателя тока на дифференциальных усилителях приведена на рис. 2.21.

Дифференциальные каскады VT₁–VT₃ и VT'₁–VT'₃ образованы из стандартных ЭСЛ вентилей. Ток I_k, протекающий через вывод коллектора выходного эмиттерного повторителя является выходным током ячейки. Если на цифровой вход D_k подается напряжение высокого уровня, то транзистор VT₃ открывается, а транзистор VT'₃ закрывается. Выходной ток определяется выражением:

Точность значительно повышается, если резистор R_э заменить источником постоянного тока, как в схеме на рис. 2.20. Благодаря симметрии схемы существует возможность формирования двух выходных токов – прямого и инверсного. Наиболее быстродействующие модели подобных ЦАП имеют входные ЭСЛ-уровни. Примером может служить 12-ти разрядный МАХ555 (1127.pdf), имеющий время установления 4 нс до уровня 0,1%. Поскольку выходные сигналы таких ЦАП захватывают радиочастотный диапазон, они имеют выходное сопротивление 50 или 75 Ом, которое должно быть согласовано с волновым сопротивлением кабеля, подключаемого к выходу преобразователя.

Следует отметить, что в микросхемах ЦАП на биполярных источниках тока также существуют различные варианты схем включения резистивной матрицы (рис. 2.22, 2.23). Кроме того, в нескольких старших разрядах часто используется формирование разрядных токов не с помощью матрицы R-2R, а с помощью двоично взвешенных резисторов (рис. 2.25, 2.26).

Источники тока на активных приборах (рис. 2.22) вырабатывают одинаковые токи I, поступающие на выход посредством ключей, управляемых разрядами входного кода. Токи I подключаются к двоичному делителю на резистивной матрице R–2R, который ослабляет их на выходе в соответствии c весовыми коэффициентами. Выходной ток ЦАП:

Ниже на рис. 2.23 изображена аналогичная схема, но с выходом по напряжению.

К ЦАП расмотренного типа относятся микросхемы AD9712, AD9713 (1476.pdf), 12-разрядный ЦАП 1108ПА1 (время преобразования 0.4 мкс), 1118ПА2. Схема источника тока на биполярном транзисторе совместно с переключателем тока для таких ЦАП приведена на рис. 2.24.

На источниках тока взвешенных по двоичному закону строятся БИС ЦАП совместимых с ЭСЛ интегральными схемами (К1118ПА1, К1118ПА3, AD9768-1481.pdf). В этом случае функциональная схема подобна рис. 2.22, за исключением того, что двоично взвешенные токи формируются не резистивной матрицей R–2R, а активными источниками тока с двоично взвешенными сопротивлениями в эмиттерной цепи. Функциональная схема такого ЦАП представлена на рис. 2.25, а упрощенная схема источника двоично-взвешенного тока с токовым переключателем – на рис. 2.26.

В некоторых ИС ЦАП (например в ЦАП с выходом по напряжению совместимом с ЭСЛ и ТТЛ К1118ПА2, 12-разрядном ЦАП К594ПА1 с временем преобразования 3.5 мкс, 1108ПА1 и др.) двоично взвешенные разрядные токи получаются двояким образом: для младших разрядов они получаются путем подключения одинаковых источников тока к матрице R–2R (как на рис. 2.23, 2.24), для старших разрядов используются двоично взвешенные токи сформированные резисторами в эмиттерной цепи с двоично взвешенными номиналами (рис. 2.25, 2.26).

Исходя из вышесказанного можно сделать вывод, что в зависимости от схемотехники биполярного ЦАП (способа получения двоично взвешенных токов, схемотехники выходного буферного усилителя) схемы их униполярного, биполярного включения и реализации других устройств могут существенно отличаться друг от друга. Следовательно при практическом использовании данных микросхем следует строго следовать рекомендациям по схемам их включения, приведенном в техническом описании.