ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
DIGITAL-TO-ANALOGUE CONVERTER

Предлагаемое изобретение относится к устройствам преобразования цифровых сигналов (кодов) в аналоговые и может быть использовано в составе систем обработки и управления сигналами.
Известен [патент РФ №2390928 С1, кл. Н03М 1/66 от 27.05.2010, автор Волков Б.И.] цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), содержащий регистр, блок импульсных усилителей, фотоприемник, операционный усилитель и пьезоэлектрический преобразователь ПП, содержащий непрозрачный корпус, в котором расположен микросветодиод белого излучения с микролинзой на излучающей стороне и последовательно расположенные друг за другом по оптической оси микролинзы с первого по восьмой полупрозрачные микрозеркала, и содержащий по числу микрозеркал с первого по восьмой микропьезоэлементы, первые торцы которых жестко закреплены в корпусе ПП, а вторые свободные торцы микропьезоэлементов соответствующим образом соединены с полупрозрачными микрозеркалами, входы микропьезоэлементов являются управляющими входами ПП и подключены к соответствующим выходам блока импульсных усилителей, фотоприемник ЦАП расположен в выходном отверстии корпуса ПП входным зрачком в сторону отражаемых от полупрозрачных микрозеркал излучений. При подаче сигнала на пьезоэлемент поворачивается соответствующее микрозеркало со светоделительным покрытием и отражает оптическое излучение, соответствующее весу разряда.
Недостатками описанного устройства являются: низкое быстродействие из-за применения импульсных усилителей и поворачивающихся микрозеркал; низкая надежность из-за применения механических элементов; сложность изготовления микрозеркал со светоделительным, и покрытиями, которые пропускали бы одинаковое излучение при разных углах расположения к источнику света, что в свою очередь ведет к увеличению габаритных размеров; невозможность использования ЦАП в носимой аппаратуре, так как при вибрациях микрозеркала будут колебаться.
Известен также [патент РФ №2390929 С1, кл. Н03М 1/66 от 27.05.2010, автор Волков Б.И.] ЦАП, содержащий регистр, блок импульсных усилителей, фотоприемник и операционный усилитель, пьезоэлектрический преобразователь, содержащий непрозрачный корпус, в первом торце которого расположен микросветодиод белого свечения с микролинзой на излучающей стороне, внутри корпуса расположены последовательно друг за другом и по оптической оси микролинзы с первого по восьмой нейтральные микросветофильтры, каждый с соответствующим коэффициентом поглощения, с первого по восьмой микропьезоэлементы, первые торцы которых жестко закреплены в корпусе, вторые свободные их торцы соответствующим образом соединены со своими нейтральными микросветофильтрами, входы микропьезоэлементов являются управляющими входами пьезоэлектрического преобразователя и подключены к соответствующим выходам блока импульсных усилителей; во втором торце корпуса размещен фотоприемник входным окном в сторону излучения, и оптическая ось его расположена по оптической оси микролинзы. При подаче сигнала на пьезоэлемент поворачивается соответствующий микросветофильтр с соответствующим коэффициентом поглощения на 90 градусов, освобождая свободный проход потоку излучения.
-15
Недостатками описанного устройства являются: низкое быстродействие из-за применения импульсных усилителей и поворачивающихся микросветофильтров; сложность изготовления светофильтров с различными коэффициентами поглощения для каждого разряда (в 24-разрядном ЦАП будет 24 различных светофильтра с минимальным коэффициентом поглощения 3,553×10); сложность осуществления поворота светофильтра на угол 90 градусов и, как следствие, большие габариты; низкая надежность из-за применения механических элементов; невозможность использования ЦАП в носимой аппаратуре, так как при вибрациях микросветофильтры будут колебаться.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ЦАП [Патент РФ №2275740 С1, кл. Н03М 1/66 от 27.04.2006, автор Волков Б.И.], включающий последовательно соединенные регистр, блок импульсных усилителей, матрицу из девяти светодиодов, объектив, фотоприемник и операционный усилитель, выполняющий преобразование восьмиразрядных кодов в аналоговые сигналы. Вес излучения каждого светодиода задается соответствующими плотностями применяемых нейтральных светофильтров. Объектив собирает излучение светодиодов во входном окне фотоприемника, сигнал с которого поступает в операционный усилитель, с выхода которого аналоговый сигнал следует по назначению. Суммарный поток излучения светодиодов прямо пропорционален величине кода.
Недостатками описанного устройства являются, во-первых, низкая точность из-за сложности реализации многоразрядного ЦАП, так для реализации 24-разрядного ЦАП в прототипе потребуется 24 различных светофильтров максимальной кратности 262144х. Во-вторых, применение нейтральных светофильтров в количестве, равном разрядности ЦАП, объектива, а также расположение модуля светоизлучателя и фотоприемника в параллельных плоскостях, значительно удаленных друг от друга, предопределяет нереализуемость конструкции в микроминиатюрном исполнении по современным стандартам микроэлектроники и наноэлектроники. В-третьих, применение блока импульсных усилителей ограничивает быстродействие работы ЦАП.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение быстродействия и точности преобразования ЦАП, а также микроминиатюризации его исполнения.
Технический результат достигается тем, что в ЦАП, содержащий набор светоизлучающих диодов, в количестве, равном разрядности ЦАП, и последовательно соединенные фотоприемник и усилитель сигнала, выход которого является выходом ЦАП, вводится блок формирователя постоянного тока, входы которого являются входами ЦАП, и зеркало, располагающееся параллельно плоскости фотоприемника и набора светодиодов, находящихся от фотоприемника на расстоянии, обратно пропорциональном весу цифрового двоичного разряда.
1
2
N
1
2
N
На чертеже (фиг.1) представлена функциональная схема ЦАП, состоящая из блока формирователя тока 1, входы которого являются входами ЦАП, выходы в количестве, равном разрядности ЦАП, подключены к набору светодиодов 2, 2,…, 2, где N - разряд ЦАП. Расположение светодиодов в модуле выполняется по правилу: светодиод, соответствующий меньшему разряду ЦАП, располагается на расстоянии, большем, чем предыдущий. Таким образом, можно выделить следующие варианты формирования набора светодиодов: линейный (фиг.2), матричный (фиг.3) и спиральный (фиг.4). Излучение светодиодов, распространяющееся по телесному углу 6, падает на отражающуюся поверхность зеркала 3, располагающуюся параллельно плоскости набора светодиодов 2, 2,…, 2 и фотоприемника 4. Отражаясь от зеркала 3, часть световых лучей 7 засвечивает фотоприемник 4, выход которого соединен с входом усилителя сигнала 5, выход которого является выходом ЦАП.
1
2
N
1
1
2
N
1
2
N
l
l
l
Работа ЦАП осуществляется следующим образом. На вход блока формирователя тока 1 поступают двоичные цифровые коды в параллельном виде, с выхода которого сигналы (коды) поступают на модуль светодиодов 2, 2,…, 2. В нулевом состоянии все светодиоды отключены, фототок фотоприемника 4 равен нулю. С подачей кода на модуль светодиодов они испускают излучение продолжительностью, равной продолжительности кода на входе ЦАП. Часть излучения от светодиодов, отражаясь от зеркальной поверхности 3, располагающейся противоположно плоскости модуля светодиодов, попадает на фотоприемник 4. Его освещенность, равная половине максимальной, будет создаваться светодиодом 2, соответствующим старшему разряду ЦАП, находящемуся на расстоянии  от фотоприемника 4, которое, в свою очередь, выбирается минимальным. При увеличении расстояния  световой поток светодиода, отразившись от зеркала, будет пропорционально смещаться относительно фотодиода. Таким образом, за счет изменения расстояния  между светодиодами 2, 2,…, 2 и фотоприемником 4 создается вес, пропорциональный цифровому двоичному разряду. Суммарный поток, принимаемый фотодиодом, прямо пропорционален величине кода, величина же аналогового сигнала с выхода усилителя 5 прямо пропорциональна световому потоку набору светодиодов 2, 2,…, 2.
Быстродействие заявленного ЦАП не зависит от времени записи регистров и блока импульсных усилителей и определяется быстродействием светодиода и фотодиода. Применяя схему формирователя тока, служащую для уменьшения времени нарастания и спада оптического сигнала светодиодов [Шуберт Ф. Светодиоды: Пер. с англ. Под ред. А.Э.Юновича. - 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, с.472, рис.24.5], можно добиться сокращения времени нарастания сигнала за счет избыточного тока и сделать его меньшим, чем время жизни носителей заряда при спонтанной рекомбинации. Кроме того, время жизни носителей заряда можно уменьшить, легировав бериллием активную область GaAs светодиода [Шуберт Ф. Светодиоды: Пер. с англ. Под ред. А.Э.Юновича. - 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, с.476]. В качестве детектора может использоваться InGaAs фотодиод FCI-InGaAs-55 [OSI-Optoelectronics an OSI system company. Optoelectronic Component Catalog, 2007, с.82] со временем нарастания и спада сигнала 0,2 нс. Если необходим выход по напряжению с масштабированием, используется усилитель сигнала 5, например операционный усилитель THS4304 фирмы Texas Instruments с быстродействием 3 ГГц [Datasheet THS4304: Wideband Operational Amplifier (Rev. A), 2011, с.6]. Учитывая вышесказанное и расчетную зависимость быстродействия светодиодов, при различных значениях времени жизни [Шуберт Ф. Светодиоды: Пер. с англ. Под ред. А.Э.Юновича. - 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, с.476, рис.24.7], частота модуляции может быть выше 3 ГГц. Время срабатывания фотодиода FCI-InGaAs-55 0,4 нс. Тогда быстродействие ЦАП составит
что в 45 раз выше, чем у аналога.
Точность преобразования повышается увеличением разрядности ЦАП и соответственно количеством светодиодов. В прототипе реализация ЦАП с большим количеством разрядов затруднена, так как приходится изготавливать большое количество различных светофильтров, отличающихся друг от друга кратностью в более ста тысяч раз. Так, например, для 24 разряда она составит 262144 раз. У заявленного ЦАП нет светофильтров, а вес, соответствующий цифровому разряду, зависит от расстояния между светодиодом и фотоприемником, которое в интегральном исполнении может быть меньше нанометра. Если нужно более точно подстроить вес, то для каждого светодиода можно применить свой формирователь тока. Увеличением или уменьшением тока через светодиод пропорционально изменяется сила света и, следовательно, пропорционально изменяется вес, соответствующий цифровому разряду.
Миниатюризация исполнения осуществляется за счет изготовления устройства в интегральном виде, что становится возможным из-за расположения фотоприемника и набора светодиодов в одной плоскости, отсутствия каких-либо механический частей и применения микросветодиодов или квантовых точек.
Таким образом, предлагаемое изобретение цифроаналогового преобразователя выгодно отличается от известных, так как при высоком быстродействии способно выполнять преобразования с высокой точностью, сочетая при этом миниатюрное исполнение по современным топологическим нормам производства микроэлектроники и наноэлектроники.