Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Для лучшего уяснения принципов я нарисовал всего лишь двухразрядный вариант. Два разряда— это четыре градации, т. е. выходное напряжение ОУ должно принимать четыре значения с равными промежутками. В данном случае эти напряжения равны 0, а также 1/ 4, 1/ 2и 3/ 4от опорного напряжения U оп. Как это происходит?

Рассмотрим сначала цепочку резисторов с номиналами R и 2 R . Так как оба нижних по схеме резистора 2 R в исходном состоянии присоединены к «земле», т. е. включены параллельно, то их суммарное сопротивление равно R . Тогда верхний по схеме резистор R и эти два резистора образуют делитель, напряжение на котором равно половине от U оп. Предположим, на входах управления ключами оба разряда имеют нулевые значения, т. е. код принимает значения «00». В этом случае цепочка резисторов отсоединена от входа и на выходе ОУ будет напряжение, равное нулю. Пусть теперь код примет значение «01». В этом случае резистор с номиналом 2 R младшего разряда переключается ко входу усилителя. Для самой цепочки «все равно» — к «земле» присоединен этот резистор или ко входу, потому что потенциал инвертирующего входа ОУ равен потенциалу неинвертирующего, т. е. тому же потенциалу «земли». Ко входу ОУ через сопротивление с номиналом 2 R потечет ток, величина которого будет равна величине напряжения на его входе, т. е. U оп/2, деленной на величину этого резистора (2 R ). Итого значение тока будет U оп/4 R , и ток этот создаст на резисторе обратной связи ОУ, сопротивление которого также R падение напряжения, равное U оп/4 R . Можно считать и по-другому — рассматривать инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 0,5, что определяется отношением сопротивлений R /2 R , и напряжением на входе U оп/2. Итого на выходе всей схемы будет напряжение U оп/4 R (но с обратным знаком, т. к. усилитель инвертирующий).

Пусть теперь код принимает значение «10». Тогда все еще проще — ко входу ОУ подключается напряжение U опчерез резистор 2 R . Коэффициент усиления тот же самый, так что на выходе будет напряжение U оп/2. Самый сложный случай, когда код принимает значение «11» и подключаются оба резистора. При этом ОУ надо рассматривать как сумматор токов. Напряжение на выходе будет определяться суммой токов через резисторы 2 R умноженной на величину сопротивления обратной связи R т. е. будет равно ( U оп/2 R + U оп/4 R )∙ R или просто 3 U оп/4.

Способ построения цепочки R-2R с любым числом звеньев ясен (рис. 10.3, б ). Крайние резисторы со значением 2 R включены параллельно и в сумме дают сопротивление R поэтому следующее звено оказывается состоящим из тех же номиналов по 2 R и в сумме тоже даст R и т. д. Какой бы длины цепочку ни сделать, она будет делить входное напряжение в двоичном соотношении: на самом правом по схеме конце цепочки будет напряжение U оп, на следующем отводе U оп/2, на следующем U оп/4 и т. д. Фактически это и есть наша двоичная линейка.

Так можно всего с помощью двух типономиналов резисторов, отличающихся ровно в два раза, строить ЦАП в принципе любой разрядности. Например, восьмиразрядный ЦАП будет содержать всего 16 резисторов и 8 ключей (с переключением), не считая резистора обратной связи, который у нас для наглядности был равен также R но может быть любого удобного номинала. В интегральных ЦАП часто этот резистор вообще не устанавливают, а выносят соответствующие выводы наружу, так что можно легко получать любой масштаб напряжения по выходу. Например, если в нашей схеме сделать этот резистор равным 1,33 R то на выходе мы получим напряжения, равные U оп, 2 U оп/3, U оп/3 и 0. Правда, неудобство такой простейшей схемы заключается в том, что выходные напряжения будут с обратным знаком, но эта проблема легко решается: на рис. 10.3, в показан простейший вариант ЦАП с положительным выходом.

Большинство интегральных ЦАП построено на основе описанного принципа суммирования взвешенных токов или напряжений, хотя есть, конечно, и другие способы. Получив таким способом аналоговое напряжение из цифрового значения, мы можем теперь перейти к рассмотрению аналого-цифровых преобразователей (АЦП), один из распространенных классов которых содержит указанные ЦАП.

Номенклатура аналого-цифровых преобразователей существенно больше, чем ЦАП. Однако все разнообразие их типов можно свести к трем разновидностям: это АЦП параллельного действия, последовательного приближения и интегрирующие. Все эти типы АЦП встречаются на практике, т. к. обладают разными свойствами, и потому применимы в разных областях.