C-A

Przetworniki C / A
budowa
Marek Portalski
Przetworniki C / A
Przetworniki c/a są szeroko stosowane w wielu
urządzeniach elektronicznych, m.in. w układach do
sterowania graficznych monitorów ekranowych, we
wszelkiego typu układach analogowych, sterowanych
cyfrowo (np. wzmacniacze, zasilacze), a także w układach
odtwarzających
sygnały
akustyczne
lub
wizyjne,
zarejestrowane w postaci cyfrowej.
Przetwornik cyfrowo-analogowy jest układem, który
wytwarza wyjściowy sygnał analogowy (napięcie, prąd)
na podstawie cyfrowego sygnału wejściowego.
Przetworniki C / A
UW Y  U LSB L
UWY – napięcie wyjściowe
ULSB – napięcie wyjściowe dla najmniej znaczącego bitu
L – wejściowa liczba binarna
Przetworniki C / A
Produkowane seryjnie przetworniki C/A wykonywane
są obecnie jako układy scalone monolityczne, bardzo
rzadko jako hybrydowe.
Większość przetworników c/a zbudowana jest
w oparciu o sieć rezystorów i przełączniki elektroniczne
zrealizowane w technologii bipolarnej lub CMOS. Istnieją
również realizacje z przełączanymi źródłami prądowymi.
Odrębną realizacją są układy z jednym przełącznikiem
i filtrem dolnoprzepustowym.
Przetworniki C/A pracują w oparciu o trzy metody
przetwarzania:
równoległą,
wagową,
zliczania.
Przetworniki C / A
Metoda
równoległa
wymaga
wielu
rezystorów
i przełączników, dlatego też jest rzadko stosowana.
Zasada działania przetwornika C/A wykorzystującego metodę
równoległą przetwarzania.
Przetworniki C / A
Metoda wagowa wymaga
powszechnie stosowana.
mniej
elementów,
Zasada działania przetwornika C/A wykorzystującego metodę wagową
przetwarzania.
jest
Przetworniki C / A
W metodzie zliczania potrzeba najmniej elementów,
lecz wymagane jest znaczne nadpróbkowanie sygnału
cyfrowego.
Zasada działania przetwornika C/A wykorzystującego metodę zliczania
w przetwarzaniu.
Przetworniki C / A
Porównanie metod
Metoda równoległa
Ilość przełączników:
Równe oporniki
Metoda wagowa
Ilość przełączników:
Różne oporniki
Metoda zliczania
Lmax
log 2 Lmax
Ilość przełączników:
1
Jeden opornik i kondensator, sygnał znacznie nadpróbkowany
Przetworniki C / A
O dokładności i liniowości przetwornika decydują
stosunki wartości rezystancji pomiędzy poszczególnymi
opornikami, a nie ich bezwzględne wartości.
Trudności produkcyjne wykonania oporników o wielu
różnych wartościach i bardzo małych tolerancjach
doprowadziły do rozpowszechnienia się układów
wykorzystujących tylko dwie wartości rezystancji: R i 2R.
Praktycznie wykonuje się tylko jeden typ opornika,
łącząc po dwa w szereg (lub równolegle) w zależności
od potrzeby. Umożliwia to wykonanie wielu oporników
o rezystancjach bardzo mało różniących się od siebie.
Przetworniki C / A
Często spotykane rozwiązanie przetwornika C/A. Tu pokazano układ
4-bitowy. Zwiększając długość drabinki R – 2R można zwiększyć
rozdzielczość praktycznie do 18 bitów. Opornik R w sprzężeniu
zwrotnym wzmacniacza operacyjnego musi być też scalony razem z
opornikami drabinki.
Przetworniki C / A
Prądy I1 i I2 zależne od ustawienia przełączników płyną do
punktów o potencjale masy. Dlatego pomimo komutacji
napięcie na przełącznikach jest stałe, a ich pojemności nie
przeładowują się. Daje to istotny wzrost szybkości pracy
przetwornika.
Układ ten jest typowy dla technologii CMOS. Przełączniki
wykonane są jako pary komplementarnych tranzystorów
MOSFET – jeden z kanałem N, drugi z kanałem P.
Przetworniki C / A
Schemat przetwornika C/A z przełączanymi źródłami
prądowymi. Jest to typowe rozwiązanie dla technologii
bipolarnej.
Przetworniki C / A
Rolę przełączników pełnią diody lub wzmacniacze
różnicowe na tranzystorach bipolarnych.
Dla uniknięcia zmian napięcia na przełącznikach
w czasie komutacji i związanych z tym szkodliwych
przeładowań ich pojemności opornik R musi być
zastąpiony
konwerterem
prąd
/
napięcie
na
wzmacniaczu operacyjnym.
Przetworniki C / A
Przetworniki C / A
Schemat scalonej konstrukcji zespołu źródeł prądowych
współpracujący z zespołem przełączników przetwornika
C/A. Tranzystory T1 ÷ T6 muszą mieć powierzchnię
proporcjonalną do prądu kolektora. Tranzystor T6 służy
wyłącznie do zamknięcia drabinki R-2R.
Przetworniki C / A
Przetwornik C/A zliczający
Przetworniki C/A pracujące w oparciu o zasadę zliczania
posiadają na wejściu konwerter sygnału cyfrowego na
sygnał
będący
ciągiem
impulsów
prostokątnych
o zmiennym współczynniku wypełnienia - modulacja PWM.
Inną metodą jest generacja zmiennej ilości krótkich
impulsów o stałej szerokości w ramach danego okresu.
Częstotliwość impulsów podawanych na sam układ
przetwornika C/A musi być tu wielokrotnie wyższa od
szybkości zmian wejściowego sygnału cyfrowego.
Rozdzielczości takich przetworników są duże i mogą
przekraczać nawet 24 bity.
Przetworniki C / A
Rodzaje impulsów sterujące przełącznikiem układu
przetwornika C/A pracującego metodą zliczania.
Przetworniki C / A
Można dowieść, że napięcie na wyjściu filtru RC jest
w przypadku sygnału PWM proporcjonalne do
współczynnika wypełnienia impulsów g:
UW Y  g U szcz
gdzie U szcz jest amplitudą ciągu impulsów.
Przetworniki C / A
Dla sygnału z modulacją ilości impulsów napięcie wyjściowe
jest proporcjonalne do ilości jednakowych impulsów
przypadających na okres sygnału:
UW Y  k n U szcz
gdzie k jest stałą, n liczbą impulsów na okres, a Ujest
szcz tak jak
poprzednio amplitudą impulsów.
Przetworniki C / A
Napięcia bipolarne
Przedstawione poprzednio układy przetworników C/A
dają na wyjściu napięcie tylko jednego znaku, na ogół
dodatnie. Dla otrzymania napięć przemiennych dodajemy
do sygnału wyjściowego napięcie przeciwnego znaku
o wartości odpowiadającej połowie zakresu przetwornika.
Wtedy stan 0000...0 odpowiada maksymalnemu napięciu
ujemnemu, a stan 1111...1 maksymalnemu napięciu
dodatniemu.
Dopasowanie danej reprezentacji ujemnej liczby binarnej
do przedstawionych tu wymagań przetwornika realizujemy
w odpowiednim wejściowym układzie cyfrowym. Są też
przetworniki fabrycznie przystosowane do takiej pracy.
Przetworniki C / A
Przedstawione tu układy przetworników C/A nie
wyczerpują wszystkich rozwiązań układowych. W pewnych
zastosowaniach stosowane są np. układy z odwróconą
drabinką R – 2R.
Istnieją także mnożące przetworniki C/A. Mają one
wyprowadzone na zewnątrz wejście napięcia odniesienia.
Przy odpowiedniej konstrukcji mogą mnożyć sygnał
przemienny przez liczbę binarną. Ich typowe zastosowanie
to cyfrowa regulacja wzmocnienia i cyfrowe kalibratory
napięć (prądów) przemiennych.
Dziękuję za uwagę