3.2 Цап со взвешенным суммированием токов
Рассмотрим построение простейшего ЦАП с взвешенным суммированием токов. В простейшем случае такой ЦАП состоит из резистивной матрицы и набора ключей (рис.14а).
Рис. Реализации ЦАП на основе резистивной матрицы
Число ключей и число резисторов в матрице равно количеству разрядов n входного кода NВХ. Номиналы резисторов выбираются пропорциональными весам двоичного кода, т. е. пропорциональными значениям ряда 2i, i = 1… n. При присоединении к общему узлу матрицы источника напряжения и замыкании ключей через каждый резистор потечет ток. Значения токов по резисторам благодаря соответствующему выбору их номиналов будут распределены по двоичному закону, т.е. пропорциональны весам разрядов двоичного кода. При подаче входного кода NВХ включение ключей производится в соответствии со значением соответствующих им разрядов входного кода. Ключ замыкается, если соответствующий ему разряд равен единице. При этом в токовом узле суммируются токи, пропорциональные весам этих разрядов и величина вытекающего из узла тока в целом будет пропорциональна значению входного кода NВХ.
Сопротивление резисторов матрицы выбирают достаточно большое (десятки кОм), что позволяет ЦАП для большинства практических случаев для нагрузки играть роль источника тока. Если на выходе преобразователя необходимо получить напряжение то на выходе такого ЦАП устанавливается преобразователь «ток-напряжение», например, на операционном усилителе (рис.15).
Рис. Преобразователь ток-напряжение на операционном усилителе на выходе ЦАП
Не трудно заметить, что при смене кода на входах ЦАП меняется величина тока, отбираемая от источника опорного напряжения. Это является главным недостатком такого способа построения ЦАП и заставляет в качестве этого источника использовать источник с низким внутренним сопротивлением. В противном случае при смене входного кода изменение тока отбираемого от источника приводит к изменению падения напряжения на его внутреннем сопротивлении и, в свою очередь, к дополнительному напрямую не связанному со сменой кода изменению выходного тока (к его паразитной модуляции). Исключить этот недостаток позволяет структура ЦАП с переключающимися ключами (рис.14.б).
Рис. Реализации ЦАП на основе резистивной матрицы и с перекидными ключами
В такой структуре имеется два выходных узла. В зависимости от значения разрядов входного кода соответствующие им ключи подключаются к узлу, связанному с выходом устройства, или к другому узлу, который чаще всего заземляется. При этом через каждый резистор матрицы ток течет постоянно, независимо от положения ключа, а величина тока, потребляемого от источника опорного напряжения, постоянна.
Общим недостатком обоих рассмотренных структур является большое соотношение между наименьшим и наибольшим номиналом резисторов матрицы. Вместе с тем, не смотря на большую разницу номиналов резисторов необходимо обеспечивать одинаковую абсолютную погрешность подгонки как самого большого, так и самого маленького по номиналу резистора. Т. е. относительная точность подгонки резисторов должна быть очень высокая. В интегральном исполнении ЦАП при числе разрядов более десяти это обеспечить достаточно трудно.
От всех указанных выше недостатков свободны структуры на основе резистивных R-2R матриц (рис.14 в).
Рис. Реализации ЦАП на основе R-2R резистивной матрицы
и с перекидными ключами
Можно убедиться, что при таком построении резистивной матрицы ток в каждой последующей параллельной ветви меньше чем в предыдущей в два раза, т.е. их значения распределены по двоичному закону. Наличие только двух номиналов резисторов в матрице позволяет достаточно просто осуществлять подгонку их значений, без предъявления высоких требований по относительной точности подгонки.
Общей особенностью всех рассмотренных структур ЦАП является то, что выходной ток для каждой из них пропорционален одновременно не только величине входного кода, но и величине опорного напряжения. Часто говорят, что он пропорционален произведению этих двух величин. Поэтому такие ЦАП называют умножающими. Такими свойствами будут обладать все ЦАП, в которых формирование взвешенных значений токов, соответствующих весам разрядов, производится с помощью резистивных матриц.
Ряд интегральных технологий позволяет достаточно просто формировать на кристалле резисторы, например, КМОП - технология. Как и все прочие ИС, созданные на ее основе, такие ЦАП, характеризуются в первую очередь, низкой стоимостью и низким потреблением. Однако, как известно, недостатком данной технологии является наличие больших паразитных емкостей на кристалле, поэтому и ИС, изготовленные на ее основе, характеризуются низким быстродействием. Особенности технологий, позволяющих достичь большего быстродействия, например, биполярной, состоят в том, что они не рассчитаны на изготовление точных и занимающих большую часть площади кристаллов резисторов. Поэтому при использовании таких технологий формирование взвешенных токов производится не с помощью резистивных матриц, а с помощью транзисторных генераторов токов. В этом случае источник опорного напряжения не нужен – нужен источник питания этих ключей. Зависимость выходного тока транзисторных токовых генераторов от величины их питающего напряжения не линейна, поэтому такие ЦАП умножающими не являются.
Кроме использования по прямому назначению умножающие ЦАП используются как аналого-цифровые перемножители, в качестве кодоуправляемых сопротивлений и проводимостей. Они широко применяются как составные элементы при построении кодоуправляемых (перестраиваемых) усилителей, фильтров, источников опорных напряжений и т.д.