Параллельные ЦАП. ЦАП с матрицей R-2R

Структурная схема ЦАП с матрицей R-2R приведена на Рис. 58. Особенность данной схемы: для любого узла матрицы R-2R эквивалентное сопротивление левой части равно эквивалентному сопротивлению правой части и равно 2R. Для определения выходного напряжения данной схемы воспользуемся принципом суперпозиции (или методом наложения, что одно и тоже). Т.е. напряжение на выходе находится как сумма напряжений при разных вариантах подачи 1 на один разряд цифрового кода. Вначале найдем напряжение в нулевом узле если все цифровые коды кроме а₀ равны нулю, а а₀=1 (т.е. только резистор 2R отходящий от этого узла подключен к опорному напряжению). В этом случае напряжение в нулевом узле будет в три раза меньше опорного напряжения (т.к. образуется резистивный делитель 2R-R, где R образуется как параллельное соединение эквивалентного сопротивления левой части и эквивалентного сопротивления правой части), а напряжение на выходе в этом случае будет равно U_ОП/2. Затем найдем напряжение в первом узле если все цифровые коды кроме а₁ равны нулю, а а₁=1 (т.е. только резистор 2R отходящий от этого узла подключен к опорному напряжению). В этом случае напряжение в первом узле будет тоже в три раза меньше опорного напряжения, и при этом напряжение в нулевом узле будет в два раза меньше чем в первом узле (образуется резистивный делитель R-R), а напряжение на выходе в этом случае будет равно U_ОП/4.

Рис. 58 Структурная схема ЦАП с матрицей R-2R

Таким образом, делаем вывод что при подключении i-того резистора к опорному напряжению, напряжение в i-том узле равно U_ОП/3, а напряжение в узле i-1 будет в два раза меньше чем в i-том, а напряжение в узле i-2 будет в четыре раза меньше чем в i-том и т.д. Итак, при а₀=1 выходное напряжение U_ВЫХ=U_ОП/2, при а₁=1 выходное напряжение U_ВЫХ=U_ОП/4, при а₂=1 выходное напряжение U_ВЫХ=U_ОП/8 и т.д. Т.е. выходное напряжение определяется по формуле аналогичной для выходного напряжения ЦАП со взвешенными резисторами:

, где a_i соответствующие разряды входного цифрового кода (а=1 или а=0).

Достоинства данной схемы:

Требуется получение только двух номиналов резисторов (иногда пользуются и одним номиналом - для получения резистора 2R используют последовательное включение двух резисторов R, при этом не требуется согласовывать резисторы по температуре, т.к. при изменении температуры их сопротивление увеличится на одинаковую величину и при этом отношение резисторов не измениться),

Кроме того исключается требование к абсолютной точности сопротивлений резисторов, а решающее значение оказывает относительный разброс этих сопротивлений.

Основные проблемы, при создании ЦАП на базе рассмотренных структур, связаны с обеспечением высоких значений точности преобразования и быстродействия.

ЦАП на источниках 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. 6.

Рис. 6. Схема ЦАП на источниках тока

Весовые 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. 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.

(11)

Характернымипримереми 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, имеющий время установления 0,2 мкс при такой же погрешности линейности. Еще более высоким быстродействием обладает AD668, 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 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. 7.

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. 6. 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, 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.