ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Рассматриваемые в данной главе функциональные микроэлектронные устройства нельзя однозначно отнести только к аналоговым или только к цифровым. У таких изделий или их выходные сигналы являются цифровыми и наоборот, или они управляются цифровыми сигналами и поэтому, они включают в свой состав компоненты характерные как для цифровой так и для аналоговой электроники. В зависимости от выполняемых функций этот тип функциональных узлов относится к аналого-цифровым (АЦП) либо к цифро-аналоговым (ЦАП) преобразователям.

11.1. ЦИФРО–АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Цифро-аналоговые преобразователи предназначены для создания выходной аналоговой величины, соответствующей цифровому коду, поступившему на вход преобразователя.

Простейший ЦАП можно построить на основе ОУ с коммутируемыми весовыми резисторами на входе (рис. 11.1). Каждый из аналоговых ключей (коммутаторов) K₀ … K_{N -1} может находиться в одном из двух состояний: закрытом или открытом в зависимости от значения соответствующего разряда входного цифрового слова.

.

Рис. 11.1. Простейший ЦАП с весовыми резисторами на входе

Сопротивление резисторов соседних разрядов отличаются в 2 раза. Выходное напряжение ЦАП является функцией полного сопротивления резистивной матрицы которое в свою очередь определяется состояниями ключей, т. е.:

.

Определим сопротивление матрицы:

, откуда

, где .

Выбрав , получим ЦАП имеющий 2^N состояний, причем единице младшего разряда будет соответствовать .

Пусть N = 4, тогда при коде на входе ЦАП – 1111, что соответствует замкнутому состоянию всех аналоговых ключей, получим , а . Откуда

.

При входном коде ЦАП – 0001 будем иметь , а

.

При входном коде ЦАП – 0000 усилитель отключен от источника и работает как повторитель напряжения, повторяя нулевое напряжение на его неинвертирующем входе.

Точность такого преобразователя определяется разбросом и стабильностью параметров резисторов матрицы, аналоговых ключей, ОУ. При большой разрядности ЦАП технологически очень трудно выполнить резисторы с перепадом сопротивлений в 2^{N -1} раза. Технологически удобно изготовлять резисторы по возможности с одинаковыми сопротивлениями. В этом случае необходимый коэффициент передачи эталонного напряжения формируется с помощью многозвеньевого делителя напряжения на основе матрицы сопротивлений типа R – 2R рис. 11.2.

Такая схема имеет коэффициент использования эталонного напряжения равный 2/3 в то время как в предыдущей этот коэффициент равен 1. Однако, несмотря на этот недостаток и на большее число элементов схемы, резистивная матрица типа R – 2R имеет преимущество как более технологичная.

В матрице R – 2R выходное напряжение не зависит от абсолютной величины R . Чем выше идентичность в звеньях матрицы, тем точнее осуществляется цифро-аналоговое преобразование. Резистивная цепь R – 2R изготавливается, как правило, по тонкопленочной технологии.

Рис. 11.2. ЦАП с резистивной матрицей типа R – 2R

В рассмотренных схемах ЦАП время выполнения операции преобразования определяется быстродействием ключевых схем и переходными процессами в резистивных цепях, обусловленными наличием паразитных емкостей. Второй фактор для этих схем является основным, так как значения сопротивлений обычно выбирают довольно большими (примерно 10 и 20 кОм), что бы пренебречь погрешностями, вносимыми конечным сопротивлением электронных ключей. С этой точки зрения схема (рис. 11.2) обладает более низким быстродействием, так как содержит больше паразитных емкостей и в ней используется многозвенный принцип передачи напряжения.

В рассмотренных схемах ЦАП в качестве ключей используются аналоговые коммутаторы, как на биполярных, так и на полевых транзисторах. Главным требованием, предъявляемым к таким ключам, является их низкое, стабильное во времени сопротивление в открытом состоянии.