Для получения токов, пропорциональных весовым коэффициентам двоичного кода, наиболее часто применяют или генераторы на транзисторах , или матрицы резисторов.

При разработке транзисторных источников тока используют свойство работающих в насыщенном режиме полевых транзисторов или работающих в активном режиме биполярных транзисторов формировать ток, пропорциональный величине уп­ра­в­ляющего сигнала.

Так, КМОП-пара транзисторов VT ₁ и VT ₂ (рис. 10.5), работающих в насыщенном режиме (U _CИ = U _ЗИ> U _CИ.нас = U _ЗИ – U _ЗИ.пор), формирует на затворах транзисторов VT ₃, VT ₅, VT ₆, VT ₈..., VT ₁₁ постоянное напряжение U ₀. Так как эти транзисторы также работают в насыщенном режиме, то их токи стока пропорциональны этому напряжению. Ключи VT ₄, VT ₇ и VT ₁₂ управляются разрядами входного кода. При замыкании ключа VT ₄ (разрядный коэффициент равен 1) по эталонному резистору R ₀ протекает ток транзистора VT ₃.

При замыкании транзистора VT ₇ через R ₀ протекает ток транзисторов VT ₅ и VT ₆, в два раза превышающий ток ключа VT ₄, а при замыкании VT ₁₂ ток в резисторе R ₀ возрастает в 4 раза. Таким образом, падение напряжения на резисторе R ₀ пропорционально входному коду Х ₂ Х ₁ Х ₀, который при значении разряда, равном 1, открывает соответствующие транзисторы сигналами X ̅₂, X ̅₁ и X ̅₀.

При использовании полевых транзисторов подобные схемы характеризуются очень малым потреблением энергии. Так, например, 12-разрядный ЦАП типа AD7943 потребляет мощность 25 мкВт при времени установления выходного напряжения 0,6 мкс.

Однако увеличение числа разрядов ЦАП ведет к значительному усложнению схе­мы. Поэтому в многоразрядных ЦАП для создания токов, пропорциональных весовым коэффициентам двоичного кода, используют:

• резисторные матрицы с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями,

• матрицы с двумя номиналами сопротивлений, которые обычно называют матрицами R –2 R.

ЦАП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями (рис. 10.6 а) состоит: из n ключей K_n (по одному на каждый разряд), управляемых двоичным кодом X_n; из матрицы двоично-взвешенных резисторов 2 ⁿR; источника эталонного напряжения U ₀; выходного операционного усилителя ОУ, с помощью которого суммируются токи, протекающие через двоично-взвешенные резисторы для получения аналогового выходного напряжения u _вых.

Каждый разряд кода управляет ключом K_n, который подключается к источнику опорного напряжения U ₀, когда коэффициент двоичного кода равен 1, или к общей шине, когда он равен 0. Изменение положения ключа не влияет на токи цепи, так как напряжение на инвертирующем входе ОУ U _вх ≈ 0. Сопротивления резисторов 2 ⁿR (n – номер разряда входного кода), соединенных с ключами K_n, таковы, что обеспечива­ют пропорциональность в них токавесу соответствующего разряда входного кода.

Следовательно, ток на входе ОУ и выходное напряжение ЦАП:

Напряжение на выходе ЦАП пропорционально "весу" присутствующего на входах кода, т.е. его десятичному эквиваленту, а максимальное значение напряжения имеет место, когда все разряды примут значение 1:

Номиналы сопротивлений резисторов в младшем и старшем разрядах отличаются в 2 ⁿ раз и должны быть выдержаны с высокой точностью. Например, для 12-разрядного ЦАП использование в старшем разряде резистора с сопротивлением 10 кОм потребует включения в младший разряд преобразователя резистора с сопротивлением порядка 20 МОм. Это создаёт трудности при реализации ЦАП посредством интегральной технологии.

ЦАП с двумя номиналами сопротивлений резисторов (рис. 10.6 б) исключает эти трудности благодаря наличию дополнительного резистора R в каждом разряде, причем точность формирования тока не зависит от величины номиналов сопротивлений, а определяется только точностью их отношения, что обеспечивается современной технологией.

Воспользовавшись принципом суперпозиции, проводят анализ работы ЦАП с матрицей R –2 R, определяя вклад в выходное напряжение от каждого входного источника (разряда) напряжения, и находят суммарное значение напряжения на выходе ЦАП:

Таким образом, выходное напряжение ЦАП пропорционально сумме напряжений со своими весами, обусловленными теми ключами, которые подключены к источнику эталонного напряжения U ₀.

Недостатком ЦАП с матрицей R –2 R является сильное влияние на точность преобразования нестабильности сопротивлений ключей в замкнутом состоянии, что снижает временную и температурную стабильность характеристик ЦАП.

10.2.3. ЦАП с суммированием напряжений. Упрощенная схема ЦАП с суммированием напряжений приведена на рис. 10.7 а. Ее основу составляет цепочка из 2 ⁿ сопротивлений R одного номинала, которая делит опорное напряжение U ₀ на 2 ⁿ уровней.

Подключение нужного уровня осуществляется ключами K_n, управляемыми выходным унитарным кодом дешифратора DC. Отличительной особенностью ЦАП, реализующего данный метод, является небольшая нелинейность преобразования кодов в ступени напряжения. Выпускают 8-, 10- и 12 -разрядные ЦАП данного типа.

9.2.4. ЦАП с суммированием зарядов. Структура данного ЦАП практически повторяет структуру, использующую матрицу весовых резисторов (см. рис. 10.6 а), в которой резисторы заменены на конденсаторы с емкостями, пропорциональными весовым коэффициентам двоичного кода. На рис. 10.7 б приведена упрощенная схема такого ЦАП, принцип работы которого основан на свойстве конденсатора запасать электрический заряд, пропорциональный его емкости:

q = CU ₀.

Преобразование кода в напряжение осуществляется в два этапа. На первом этапе ключи K ₀, K ₁ и K ₂ переключают в положение 0, а ключ К замыкают, в результате чего все конденсаторы схемы разряжаются. На втором этапе ключ K размыкается, а ключи K ₀, K ₁ и K ₂ переключаются в соответствие с заданным кодом. Часть конденсаторов подключается к источнику эталонного напряжения и заряжается до напряжения U ₀, причем накопленный ими зарядпропорционален их емкостям.

Так как входное сопротивление усилителя велико, то токи конденсаторов матри­цы C ₀, 2 C ₀ и 4 C ₀ протекают по конденсатору C _OC, принимающему заряд всех конденсаторов матрицы:

q_{C .ОС} = q_{C 0} + q _{2 C 0} + q _{4 C 0}.

При этом напряжение на конденсаторе C _OC увеличивается до величины:

Напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя DA равно нулю, поэтому его выходное напряжение равно напряжению конденсатора C _OC, которое пропорционально исходному коду:

U _вых = U _С.OC.

9.2.5. ЦАП с широтно-импульсным модулятором. Данный ЦАП относится к ус­трой­ствам с промежуточным преобразованием исходного кода. Сначала код посредством широтно-импульсного модулятора (ШИМ) преобразуется в последовательность импульсов переменной длины (t _и) с постоянной амплитудой U ₀. Затем из этой последовательности при помощи фильтра нижних частот выделяется значение сре­д­него напряжения U _вых, величина которого пропорциональна исходному коду:

где γ – коэффициент заполнения.

На рис. 10.7 в приведена структурная схема такого преобразователя, а на рис. 10.7 г – временные диаграммы эталонного U ₀ и выходного напряжения U _вых на нагрузке R _н, поясняющие работу схемы. ЦАП с ШИМ можно построить с использованием микроконтроллера, имеющего встроенный ШИМ-модулятор.

По принципу работы схема ЦАП повторяет схему преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение ИВП, в которой используется пассивный фильтр на элементах L _ф и C _ф (см. рис 10. 7 в) или активный фильтр на операционном усилителе. Данный ЦАП обладает достаточно хорошей линейностью, но невысоким быстродействием.