среднего квадратического значения напряжения гармоник восстановленного сигнала к среднему KBaapaTH4ecKoviy значению полного напряжения восстановленного сигнала Разность чежд\ соотношениями сигнал шум идеального и реального АЦП и пока зывает погрешносгь, вносимою неитеатьностью pea 1ьного АЦП

Глава 3.

СХЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОСХЕМ ЦАП

ЗА. ДВЕНАДЦАТИРАЗРЯДНЫЙ ЦАП К594ПА1 С ВРЕМЕНЕМ УСТАНОВЛЕНИЯ 3,5 МКС

Микросхема К594ПА1 представляет 12-разрядный цифро-аналоговый преобразователь двоичного параллельного цифрового кода в постоянный ток [21-23]. Преобразователь может работать как ЦАП с выходом по напряжению при подключении к нему операционного усилителя (ОУ) в режиме суммирования. Функциональная схема ЦАП (рис. 3.1) включает источники токов (ИТ), построенные на многоэмиттерных транзисторах, источник напряжения смещения, токовые ключи, схему сдвига входных уровней. Такая структура широко применяется в ИС ЦАП [24]. Из приведенной схемы видно, что прибор состоит из трех элементарных ЦАП, на общем выходе связанных делителями тока. Каждый из элементарных

Цифровые входы

„„с старший 19 20 Общий разряд

Lii

Источник смещения

младший разряд

Схема сдвига уровней

1- >

Тонойые илюш разряда Г

Тоновые клшт разряда

Токовые ключи 9-Г2~го,

Резисторы аВратмои

„ Ю RZ Ю R5 Н6 R7 R8 ПЗ Ю1 R13 -f

ПП П П П П и Г1 П П П П П

1 yvVVi УУУУ УаЦ

КЙ2Г

Резистор сддига -/

\2Ч-

Рис 3 1 Функциональная схема ЦАП К594ПА1

ЦАП выполнен по схеме суммирования токов, которая позволяет достичь максимального быстродействия [25]. Первый элементарный ЦАП, образующий четыре старших разряда, построен на источниках тока VT]-VT4, R\-R4, выходной ток которых через токовые ключи (ТК) поступает на выход прибора. Младшие разряды также выполнены в виде двух элементарных ЦАП на источниках тока VT5-VT13, R5-R]4. Выходные токи этих ЦАП поступают на выход прибора через делители токов, построенных на резисторах 15-R18 с коэффициентами деления 1 : 16 и 1 : 128. Такая структура позволяет строить многоразрядные ЦАП [26]. Прибор содержит два резистора R\9 и R20 для образования отрицательной обратной связи ОУ при использовании ЦАП в режиме с выходом по напряжению, а также резистор R2\ для смещения ОУ в режиме биполярного сигнала на выходе. Схема формирования опорного напряжения, задающая смещение на общей базовой шине всех ИТ, выполнена на отслеживающем усилителе У, транзисторе Vlл, резисторах RiEF, Ra-

Двоичное взвешивание разрядных токов каждого элементарного ЦАП осуществляется в эмиттерных цепях транзисторов ИТ. В первых двух ЦАП, образующих старшие разряды с 1-го по 8-й, взвешивание выполняется с помощью матриц двоично-взвешенных сопротивлений (2R). В третьем ЦАП, образующем младшие разряды с 9-го по 12-й, взвешивание выполняется с помощью матрицы лестничного типа {R - 2R}. В первых двух ЦАП источники токов старших разрядов работают при эмиттерных токах 1 мА, токи последующих разрядов уменьшаются по двоичному закону. В третьем ЦАП эмиттерные токи источников токов уменьшены вдвое по сравнению с первыми двумя. Такой подход позволил уменьшить суммарное сопротивление резисторов матрицы в третьем ЦАП до 84 кОм по сравнению с сопротивлением 105 кОм в каждом из первых двух. Структура с тремя отдельными элементарными ЦАП, соединенными с помощью делителей на общем выходе, позволяет применять в матрице резисторы с относительным диапазоном значений сопротивлений 1:8 вместо требуемого диапазона 1:2048 при использовании матрицы с непосредственным двоичным взвешиванием.

Схема формирования опорного напряжения (рис. 3.2) образует замкнутую петлю обратной связи. Эмиттерный ток транзистора-датчика УГд равен току транзистора ИТ 2-го разряда. Параметры транзистора VIц и резистора Ra с высокой степенью точности идентичны параметрам транзисторов ИТ и резисторов матрицы и имеют тот же характер изменений от температуры и старения; такая обратная связь позволяет компенсировать погрешности преобразования, связанные с температурными изменениями сопротивлений резисторов матриц и параметров транзисторов ИТ - коэффициентов передачи тока и падений напряжений на открытых эмиттерных переходах. Схема компенсирует и изменения разрядных токов, вызванные колебаниями источников питания, так как эти

da

[оваи Шина смещения

-Усс1-3

генерато иа 11/7"/

О I-•-1 Vi

>

{7VJI2

Шина лагичесногй

порога •

Шина Вазового

смещения ключей

-Шика смещения ИТ

7пОм

-cc2-JSB

+5 -ISВ 5В

1/ти

Шина порагавого уровня

-15 в

Рис 3 3 Схема источника порогового напряжения ЦАП К594ПА1

Рис 3 2 Схема токового ключа ЦАП К594ПА1 со схемой формирования опорного напряжения

изменения равнозначны температурным с точки зрения погрешностей преобразования. Для структуры ЦАП с рассмотренной схемой формирования опорного напряжения в [27) приведены выражения для коллекторных токов транзисторов ИТ Из этой работы следует, что на токи разрядов непосредственно влияют разбросы коэффициентов передачи тока транзисторов ИТ и падений напряжения на их открытых эмиттерных переходах Равенство коэффициентов передачи гока транзисторов обеспечивается интегральной технологией микросхем Падение напряжения на открытом эмиттерном переходе зависит от тока эмиттера и площади переходов Для поддержания постоянной плотности тока через эмиттерные переходы транзисторов ИТ применены транзисторы, у которых площади эмиттеров пропорциональны токам соответствующих разрядов Это позволяет сохранить постоянным падение напряжения на эмиттерных переходах независимо от тока разряда и достичь необходимой линейности характеристики преобразования [28] В самом младшем разряде номинал резистора источника тока 7?14 несколько увеличен для компенсации дополнительного падения напряжения на открытом эмиттерном переходе транзистора VI 13, равного примерно 20 мВ Токовый ключ со схемами формирования опорного напряжения и сдвига уровней представлен на рис 3 2 Транзисторы V/1 и У12 р-п-р-типа соединены в дифференциальную пару и представляют собой схему сдвига входных уровней База транзистора VJ2 подключена к шине напряжения логического порога В случае управления ЦАП ТТЛ-схемой напряжение на шине логического порога составляет примерно 1,4 В Эмиттеры транзисторов VI \