ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК H03M1/36 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники, связи и может использоваться в структуре различных устройств обработки информации, измерительных приборах, системах телекоммуникаций и т.п.

В современной технике широкое применение находят цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), работа которых основана на коммутации и суммировании n-опорных (весовых) токов, изменяющихся по закону 2ⁿI⁰, где I⁰ - квант тока, n - разрядность ЦАП. Дальнейшее повышение быстродействия таких ЦАП - одна из проблем современной информационно-измерительной техники, решение которой позволит осуществить практическую реализацию новых систем связи и телекоммуникаций с более высокими качественными показателями.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ЦАП, описанный в книге Воловича Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд., испр. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2007. - С.397, рис.8.126. По данной архитектуре реализованы микросхемы ЦАП ряда ведущих микроэлектронных фирм [1-7], например AD7520, AD565, 572ПА1, МАХ555, 11 18ПА6, AD9750, TUIS5671, DAC904 и др.

ЦАП-прототип фиг.1 содержит блок коммутации весовых токов 1, токовый выход которого 2 связан с эталонным резистором 3, паразитный конденсатор 4, связанный с токовым выходом 2 блока коммутации весовых токов 1.

Существенный недостаток ЦАП-прототипа (фиг.1), функциональные схемы включения которого показаны на чертежах фиг.2, фиг.3, состоит в том, что предельная частота смены его входного кода ограничена, что обусловлено шунтирующим влиянием емкости (С₄) паразитного конденсатора 4, связанного с токовым выходом 2 ЦАП. Для ряда современных ЦАП численное значение этой емкости достигает 20÷120 пФ (AD7520 - С₄=30÷120 пФ, AD565 - С₄=25 пФ и т.п.).

Действительно, при идеальных элементах коммутации (K1, К2,…, К4) весовых токов максимальная частота смены входного кода ЦАП-прототипа фиг.1 (фиг.2), являющаяся одним из параметров ЦАП, а также время установления переходного процесса (t_уст) выходного напряжения ЦАП не удовлетворяют многим применениям:

$$t_{уст}\approx 3C_4{R}_3,(1)$$

где С₄ - емкость паразитного конденсатора 4;

R₃ - сопротивление эталонного резистора 3.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении предельной частоты смены входного кода ЦАП (частоты обновления) и снижении влияния паразитного конденсатора 4 на переходные процессы - уменьшении времени установления выходного напряжения ЦАП.

Поставленная задача достигается тем, что в цифроаналоговом преобразователе фиг.1, содержащем блок коммутации весовых токов 1, токовый выход которого 2 связан с эталонным резистором 3, паразитный конденсатор 4, связанный с токовым выходом 2 блока коммутации весовых токов 1, предусмотрены новые элементы и связи - с целью повышения быстродействия токовый выход 2 блока коммутации весовых токов 1 соединен со входом неинвертирующего усилителя напряжения 5 и токовым выходом 6 неинвертирующего усилителя тока 7, причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения 5 и токовым входом 8 неинвертирующего усилителя тока 7 включен элемент частотной коррекции 9.

На чертеже фиг.1 приведена принципиальная, а на чертеже фиг.2 - функциональная схемы ЦАП-прототипа.

На чертеже фиг.3 также представлена функциональная схема другого типового варианта включения ЦАП фиг.2, в котором его выход 2 согласован с инвертирующим преобразователем «ток-напряжение» на основе операционного усилителя (ОУ). Данное схемотехническое решение широко используется в информационно-измерительной и вычислительной технике [Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е изд., испр. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2007. - С.397, рис.8.12а]. Однако для многих применений оно неэффективно из-за повышенных требований к быстродействию операционного усилителя, стоимость которого оказывается значительно выше стоимости ЦАП.

На чертеже фиг.4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.5 приведена эквивалентная схема ЦАП-прототипа фиг.2 в среде PSpice, а на чертеже фиг.6 показаны результаты компьютерного моделирования переходных процессов выходного напряжения ЦАП фиг.5 при разных значениях емкости паразитного конденсатора С₄=С_к=C_var=5÷20 пФ, сопротивлении эталонного 3 резистора R₃=2 кОм и скачке выходного тока ЦАП ΔI=64 мкА, обусловленного сменой входного кода.

На чертеже фиг.7 приведены результаты компьютерного моделирования переходных процессов выходного напряжения ЦАП фиг.5 при разных значениях емкости паразитного конденсатора С₄=С_к=0÷20 пФ, скачке выходного тока ЦАП ΔI=64 мкА, но более высоких значениях сопротивления эталонного резистора 3 (R₂=100 кОм).

Для сравнения предельных возможностей второй типовой схемы включения ЦАП фиг.3 на чертеже фиг.8 в среде PSpice представлена эквивалентная схема ЦАП фиг.3, выход которого 2 подключается ко входу реального (т.е. инерционного) преобразователя «ток-напряжение» на основе ОУ, содержащего входной каскад с коэффициентом усиления К_у=1000, элементы частотной коррекции R₁, C₃ и буферный усилитель с К_у=1.

На чертеже фиг.9 приведены результаты компьютерного моделирования переходных процессов выходного напряжения ЦАП фиг.8 при значении емкости паразитного конденсатора C₄=C₁=20 пФ, скачке выходного тока ЦАП ΔI=64 мкА и емкости корректирующего конденсатора в структуре операционного усилителя С₃=10 нФ, обеспечивающего перерегулирование переходного процесса 30,3%. При этом время установления переходного процесса равно t_уст=190 нс.

На чертеже фиг.10 приведены результаты компьютерного моделирования переходных процессов выходного напряжения ЦАП фиг.8 при значении емкости паразитного конденсатора C₄=C₁=20 пФ, скачке выходного тока ЦАП ΔI=64 мкА и емкости корректирующего конденсатора в структуре операционного усилителя С₃=55 нФ, обеспечивающего «нулевое» перерегулирование переходного процесса. При этом время установления переходного процесса равно t_уст=210 нс. Сравнение графиков фиг.6, фиг.7 и графиков фиг.9, фиг.10 показывает, что известные схемотехнические решения ЦАП не обеспечивают высокого быстродействия - их время установления достаточно велико: t_уст≥95÷210 нс.

На чертеже фиг.11 показана эквивалентная схема заявляемого ЦАП фиг.4 в среде Pspice на моделях транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.12 приведены результаты компьютерного моделирования переходных процессов выходного напряжения ЦАП фиг.11 при емкости паразитного конденсатора С₄=С₁=20 пФ, сопротивлении эталонного резистора 3 R₃=R₁=2 кОм, скачке выходного тока ЦАП А1=64 мкА и разных значениях емкости корректирующего конденсатора 10 в структуре элемента частотной коррекции 9 (С₁₀=С_к=С₅=C_var=0÷19.5 пФ). Из данных графиков следует, что предлагаемое техническое решение обеспечивает уменьшение времени установления переходного процесса выходного напряжения ЦАП фиг.11 более чем в 30 раз - с 95 нс до 2,6 нс.

Цифроаналоговый преобразователь фиг.4 содержит блок коммутации весовых токов 1, токовый выход которого 2 связан с эталонным резистором 3, паразитный конденсатор 4, связанный с токовым выходом 2 блока коммутации весовых токов 1. С целью повышения быстродействия токовый выход 2 блока коммутации весовых токов 1 соединен со входом неинвертирующего усилителя напряжения 5 и токовым выходом 6 неинвертирующего усилителя тока 7, причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения 5 и токовым входом 8 неинвертирующего усилителя тока 7 включен элемент частотной коррекции 9.

На чертеже фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, элемент частотной коррекции 9 может быть выполнен в виде конденсатора 10.

На чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, элемент частотной коррекции 9 может быть также выполнен в виде последовательно соединенных резистора 11 и конденсатора 10.

В схеме фиг.4 неинвертирующий усилитель напряжения 5 реализован на транзисторе 12 и вспомогательном транзисторе 13.

Рассмотрим работу ЦАП фиг.4.

Изменение выходного тока ЦАП при отсутствии неинвертирующего усилителя напряжения 5 и неинвертирующего усилителя тока 7 приводит к увеличению его выходного напряжения U_вых. При этом конденсатор 4 заряжается током I_c4 с постоянной времени, которая определяется элементами схемы 4 и 3 (см. формулу (1)).

Введение неинвертирующего усилителя напряжения 5 и неинвертирующего усилителя тока 7 качественно изменяет работу схемы. Теперь напряжение U_вых передается на выход неинвертирующего усилителя напряжения 5, что создает ток İ_ск через элемент частотной коррекции 9. Данный ток поступает на вход 8 неинвертирующего усилителя тока 7 и создает дополнительный ток в выходной цепи ЦАП I_доп=К_iİ_ск, который способствует более быстрому перезаряду конденсатора 4. В конечном итоге это приводит к существенному уменьшению времени установления переходного процесса выходного напряжения ЦАП (фиг.12).

Если в качестве элемента частотной коррекции 9 используется только конденсатор 10, то для обеспечения работоспособности схемы необходимо выполнение условий:

$$C_{10}\approx C_4,C_{10}<C_4.(4)$$

Можно достаточно строго аналитически показать, что схема фиг.4 при выполнении условий (2) устойчива с учетом типовых инерционностей неинвертирующего усилителя напряжения 5 и неинвертирующего усилителя тока 7.

Таким образом, заявляемый ЦАП характеризуется существенными преимуществами в сравнении с прототипом по частоте смены входного кода и времени установления переходного процесса выходного напряжения. В предлагаемой схеме решена одна из проблем повышения быстродействия конкретного подкласса цифроаналоговых преобразователей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 5.307.067 fig. 13

2. Патент US 4.774.498 fig. 2

3. Патент US 5.396.131 fig. 10

4. Патент US 5.376.937 fig. 3

5. Патент US 6.445.221 fig. 2

6. Аналоговые интегральные схемы: Элементы, схемы, системы и применения /под ред. Дж. Коннели. - М.: «Мир», 1977, с.337, рис.8.9.

7. Карки Джим. Сопряжение операционных усилителей со скоростным ЦАП. Глава 1. ЦАП с токовым выходом // Компоненты и технологии. -2010. - №12, www.kit-e.ru/articles/dac/2010_12_111.php

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники, связи и может использоваться в структуре различных устройств обработки информации, измерительных приборах, системах телекоммуникаций. Техническим результатом является уменьшение времени установления выходного напряжения ЦАП. Цифроаналоговый преобразователь содержит блок коммутации весовых токов (1), токовый выход которого (2) связан с эталонным резистором (3), паразитный конденсатор (4), связанный с токовым выходом (2) блока коммутации весовых токов (1).С целью повышения быстродействия токовый выход (2) блока коммутации весовых токов (1) соединен со входом неинвертирующего усилителя напряжения (5) и токовым выходом (6) неинвертирующего усилителя тока (7), причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения (5) и токовым входом (8) неинвертирующего усилителя тока (7) включен элемент частотной коррекции (9). 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Цифроаналоговый преобразователь, содержащий блок коммутации весовых токов (1), токовый выход которого (2) связан с эталонным резистором (3), паразитный конденсатор (4), связанный с токовым выходом (2) блока коммутации весовых токов (1), отличающийся тем, что с целью повышения быстродействия токовый выход (2) блока коммутации весовых токов (1) соединен со входом неинвертирующего усилителя напряжения (5) и токовым выходом (6) неинвертирующего усилителя тока (7), причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения (5) и токовым входом (8) неинвертирующего усилителя тока (7) включен элемент частотной коррекции (9).

2. Цифроаналоговый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что элемент частотной коррекции (9) выполнен в виде конденсатора.

3. Цифроаналоговый преобразователь по п.1, отличающийся тем, что элемент частотной коррекции (9) выполнен в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора.