Цифро-аналоговый преобразователь
DIGITAL-TO-ANALOGUE CONVERTER

Изобретение относится к схемотехнике, автоматике, промышленной электронике и аналого-цифровой технике. Оно может быть использовано в устройствах преобразования цифровых величин (цифровых кодов) в пропорциональные аналоговые величины (в напряжения).
Известен цифро-аналоговый преобразователь (Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники. - М.: Радио и связь, 1985, рис. 14.54, стр. 367), содержащий резистивную матрицу R-2R, источник опорного напряжения, управляемые переключатели, управляющие входы которых образуют выводы для подачи входного параллельного цифрового кода и согласующую схему на операционном усилителе, выход которого образует выход цифро-аналогового преобразователя.
Недостатком его является наличие составляющей погрешности преобразования из-за прямого сопротивления управляемого переключателя (сопротивление переключателя в проводящем электрический ток состоянии) и составляющей погрешности из-за прямого напряжения управляемого переключателя (напряжение переключателя в проводящем электрический ток состоянии). Т.е. реальные управляемые переключатели имеют не идеальные параметры, у них прямое сопротивление не равно нулю, прямое напряжение тоже не равно нулю.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа цифро-аналоговый преобразователь (Токхейм Р. Основы цифровой электроники - М.: Мир, 1988, рис. 12.6, стр. 352), содержащий источник постоянного опорного напряжения, инвертор, управляемые электронные переключатели, управляющие входы которых образуют вход для подачи параллельного цифрового кода, резистивную матрицу R-2R и суммирующий усилитель на операционном усилителе, выход которого образует выход цифро-аналогового преобразователя.
Недостатком его является наличие составляющих погрешностей преобразования из-за прямого сопротивления управляемого переключателя и из-за его прямого напряжения.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в уменьшении значения составляющей погрешности преобразования из-за прямого сопротивления и прямого напряжения элементов (управляемых ключей), выполняющих функцию переключения.
Это достигается тем, что в цифро-аналоговом преобразователе, содержащем резистивную матрицу R-2R с обратным подключением ее входа и выхода, источник опорного напряжения, операционный усилитель с резистором обратной связи, источник двух постоянных питающих напряжений положительной и отрицательной полярностей, выводы для подключения параллельного входного цифрового кода и одинаковые блоки управления резистивной матрицей, число которых равно числу разрядов в параллельном входном цифровом коде, этому же числу равно количество входов относительно «земли» резистивной матрицы R-2R, выход ее подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, выход его образует выход относительно «земли» цифро-аналогового преобразователя, между выходом и инвертирующим входом включен резистор обратной связи, неинвертирующий вход операционного усилителя заземлен, вывод его для подключения питающего положительного постоянного напряжения соединен с выводом положительного напряжения источника двух постоянных питающих напряжений, вывод операционного усилителя для подключения отрицательного напряжения соединен с выводом отрицательного напряжения источника двух постоянных питающих напряжений, общая шина последнего заземлена, общая шина источника опорного напряжения тоже заземлена, каждый из одинаковых блоков управления резистивной матрицей (в частности, первый из них) включает в себя первый управляемый ключ, управляющий вход которого соединен с соответствующим (первым) выводом для подключения цифрового кода, и второй управляемый ключ, управляющий вход которого соединен с выходом инвертора, вход последнего подключен к соответствующему (первому) выводу входного цифрового кода, для питания к инвертору подключен вывод положительного напряжения источника двух постоянных питающих напряжений, а общая шина заземлена, изменено включение элементов, а также введена совокупность дополнительных элементов, а именно группа дополнительных резисторов, количество которых в группе равно числу разрядов во входном цифровом коде, а в каждый одинаковый блок управления резистивной матрицей (в частности, в первый такой блок) - два дополнительных операционных усилителя со своим резистором обратной связи каждый и два дополнительных управляемых ключа, в группе дополнительных резисторов один из выводов каждого резистора соединен с одним из выводов входа резистивной матрицы R-2R, другой вывод этих резисторов подключен к выводу положительного напряжения источника двух постоянных питающих напряжений, в каждом из одинаковых блоков управления резистивной матрицей (в частности, первого из них) общий вывод инвертирующих входов обоих дополнительных операционных усилителей образует выход блока, который соединен с общим выводом соответствующего (первого) вывода входа резистивной матрицы R-2R и соответствующего дополнительного резистора в группе дополнительных резисторов, между выходом и инвертирующим входом каждого из двух дополнительных операционных усилителей включен резистор обратной связи, неинвертирующий вход первого из них соединен с выходом источника опорного напряжения, а неинвертирующий вход второго заземлен, имеющийся первый управляемый ключ включен между выводом положительного напряжения источника двух постоянных питающих напряжений и выводом для подключения положительного питающего напряжения первого дополнительного операционного усилителя, имеющийся второй управляемый ключ включен между выводом отрицательного напряжения источника двух постоянных напряжений и выводом для подключения отрицательного питающего напряжения второго дополнительного операционного усилителя, первый дополнительный управляемый ключ включен между выводом положительного напряжения источника двух постоянных напряжений и выводом для подключения положительного питающего напряжения второго дополнительного операционного усилителя и, наконец, второй дополнительный управляемый ключ включен между выводом отрицательного напряжения источника двух постоянных напряжений и выводом для подключения отрицательного питающего напряжения первого дополнительного операционного усилителя, управляющий вход первого дополнительного управляемого ключа соединен с общим выводом выхода инвертора и управляющего входа имеющегося второго управляемого ключа, управляющий вход второго дополнительного управляемого ключа соединен с общим выводом управляющего входа первого имеющегося управляемого ключа и соответствующего (первого) вывода для подключения входного цифрового кода, последующие блоки управления резистивной матрицей R-2R выполнены точно так же, как и описанный (приведенный) первый такой блок, и имеют те же самые входы и выход.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1.
Цифро-аналоговый преобразователь содержит резистивную матрицу 1 с обратным подключением ее входа и выхода, группу резисторов 2, операционный усилитель 3 с резистором 4 обратной связи, группу одинаковых блоков управления резистивной матрицей, где первый из них блок 5, источник 6 двух постоянных питающих напряжений, источник 7 опорного напряжения и группу выводов N для подключения входного цифрового кода. Количество входов резистивной матрицы 1 равно числу разрядов во входном цифровом входе N. Выход этой резистивной матрицы 1 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 3, между выходом которого и инвертирующим входом включен резистор 4 отрицательной обратной связи. Неинвертирующий вход операционного усилителя 3 заземлен, а выход его образует выход цифро-аналогового преобразователя. Вывод для подключения положительного постоянного питающего напряжения операционного усилителя 3 соединен с выводом положительного напряжения источника 6 двух постоянных питающих напряжений. Вывод для подключения отрицательного постоянного напряжения операционного усилителя 3 соединен с выводом отрицательного напряжения источник 6 двух постоянных напряжений. Общие шины этого источника и источника 7 опорного напряжения заземлены.
В группе резисторов 2 количество резисторов равно числу разрядов во входном цифровом коде N. Один из выводов каждого из резисторов этой группы соединен с одним из входов резистивной матрицы 1, а другой вывод их подключен к выводу положительного напряжения источника 6 двух постоянных напряжений.
Количество одинаковых блоков управления резистивной матрицей 1 равно числу разрядов во входном цифровом входе N. Каждый из этих блоков в том числе и первый из них, обозначенный номером 5, включает в себя два операционных усилителя 8 и 9, каждый с резистором отрицательной обратной связи 10 и 11, четыре управляемых ключа 12, 13, 14 и 15, а также инвертор 16. Выход каждого блока управления резистивной матрицей 1 образует общий вывод инвертирующих входов двух его операционных усилителей. В частности, в первом таком блоке управления, обозначенном номером 5, общий вывод инвертирующих входов операционных усилителей 8 и 9 образует выход блока 5, который соединен соответственно с первым входом резистивной матрицы 1. Между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 8 включен резистор 10 обратной связи, а между этими выводами операционного усилителя 9 - резистор 11 обратной связи. Неинвертирующий вход операционного усилителя 8 соединен с выходом источника 7 опорного напряжения, а неинвертирующий вход операционного усилителя 9 заземлен.
Управляемый ключ 12 включен между выводом операционного усилителя 9 для подключения положительного питающего напряжения и выводом положительного напряжения источника 6 двух постоянных питающих напряжений. Управляемый ключ 13 включен между выводом операционного усилителя 9 для подключения отрицательного питающего напряжения и выводом отрицательного напряжения источника 6 двух постоянных питающих напряжений. Управляемый ключ 14 включен между выводом операционного усилителя 8 для подключения положительного питающего напряжения и выводом положительного напряжения источника 6 двух постоянных питающих напряжений. И наконец, управляемый ключ 15 включен между выводом операционного усилителя 8 для подключения отрицательного питающего напряжения и выводом отрицательного напряжения источника 6 двух постоянных питающих напряжений.
Входы управления управляемых ключей 12 и 13 соединены оба с выходом инвертора 16. Входы управления другой пары управляемых ключей 14 и 15 соединены оба с соответствующим выводом (в данном случае с первым выводом) группы выводов N для подключения входного цифрового кода. К этому же выводу подключен также вход инвертора 16. Для питания к инвертору 16 подключен вывод положительного напряжения источника 6 двух постоянных питающих напряжений, а общая шина инвертора заземлена.
Все последующие блоки управления резистивной матрицей R-2R являются такими же, как и блок 5, имеют такие же элементы, такое же их количество и соединение.
Рассматриваемый цифро-аналоговый преобразователь, как и прототип, относится к варианту цифро-аналоговых преобразователей с обратным подключением входа и выхода резистивной матрицы R-2R.
Цифро-аналоговый преобразователь работает следующим образом. При поступлении логического нуля (значение напряжения относительно «земли» в районе нуля) на вход любого блока управления резистивной матрицей, например на вход блока 5, на входах управляемых ключей 14 и 15 действует нулевое напряжение, которое поддерживает их в непроводящем электрический ток состоянии. Тогда от источника 6 двух постоянных напряжений через управляемые ключи 14 и 15 питающие напряжения на операционный усилитель 8 не поступают, и он находится в неработающем состоянии. Без учета остальной схемы блока 5 управления резистивной матрицей общий вывод инвертирующего входа операционного усилителя 8 и резистора 10 обратной связи отключен от «земли» и отделяется от «земли» несколькими р-n переходами транзисторов схемы операционного усилителя 8 в непроводящем электрический ток состоянии и обратными сопротивлениями управляемых ключей 14 и 15. Для увеличения значения общего обратного сопротивления (и схемы операционного усилителя, и обратного сопротивления управляемых ключей) можно выбрать операционный усилитель 8 с полевыми транзисторами на входе.
5
6
Во время действия положений, приведенных в предыдущем абзаце, на выходе блока 5 управления резистивной матрицей значение напряжения практически равняется нулю. Это объясняется тем, что в рассматриваемом случае на выходе инвертора 16 действует логическая единица (сравнительно существенное значение напряжения, обычно несколько единиц вольт). Это напряжение поддерживает управляемые ключи 12 и 13 в проводящем электрический ток состоянии. Через них на операционный усилитель 9 подаются питающие напряжения от источника 6 двух постоянных напряжений, и он находится в работающем состоянии. Неинвертирующий вход его имеет нулевое значение напряжения, тогда инвертирующий вход при большом значении коэффициента усиления операционного усилителя 9 имеет почти нулевое значение напряжения относительно «земли» (виртуальный нуль), по сути это прямое напряжение . Линейная область многих операционных усилителей по выходному напряжению ограничивается значениями -10В÷+10В. В частном случае, при значении выходного напряжения  и коэффициенте усиления операционного усилителя К9=10÷10 напряжение на инвертирующем входе  определяется выражением
6
и имеет значения в диапазоне 5÷50 мкВ. Такие же значения напряжения имеют и выход блока 5 и первый вход резистивной матрицы 1. Это соответствует напряжению в проводящем состоянии на управляемом переключателе в прототипе. Перечисленные напряжения в рассматриваемой схеме могут иметь значения в районе единиц микровольт при использовании операционных усилителей К140УД25А и Б, К140УД26А и Б, у которых К=10, что недостижимо при использовании управляемых переключателей в прототипе. Электрический ток со входа резистивной матрицы 1 от инвертирующего входа операционного усилителя 9 на «землю» (на неинвертирующий вход) непосредственно не проходит. Он ответвляется на резистор 11 обратной связи и замыкается на «землю» через выходную цепь операционного усилителя 9, от этого создается эффект прохождения электрического тока на «землю» и эффект подключения входа резистивной матрицы 1 к «земле».
R11
Так как электрический ток с инвертирующего входа операционного усилителя 9 на неинвертирующий вход (на «землю») непосредственно не проходит, то в устоявшемся сложившемся понимании прямое сопротивление  в данном случае отсутствует. Косвенно его можно определить, как в общем случае, через отношение имеющегося напряжения к имеющейся силе электрического тока. В данном случае имеется только напряжение на инвертирующем входе  операционного усилителя 9 и имеется сила электрического тока I через резистор 11 обратной связи
-3
Малое значение прямого сопротивления предопределяется весьма малым значением прямого напряжения. Выходной ток операционного усилителя 9 замыкается на резистор 11 обратной связи. Сила выходного электрического тока многих операционных усилителей составляет единицы миллиампер. Допустим сила этого тока составляет 5 мА. Тогда с учетом приведенного выше частного численного примера значение прямого сопротивления составит 10 Ом, что недостижимо при использовании управляемых переключателей в прототипе.
При поступлении логической единицы (обычно несколько единиц вольт) на вход любого блока управления резистивной матрицей, например на вход блока 5, на выходе инвертора 16 почти нулевое значение напряжения, которое поступает на входы управляемых ключей 12 и 13 и поддерживает их в непроводящем электрический ток состоянии. Тогда от источника 6 двух постоянных напряжений через управляемые ключи 12 и 13 питающие напряжения на операционный усилитель 9 не поступают, и он находится в неработающем состоянии. Без учета остальной схемы блока 5 общий вывод инвертирующего входа, операционного усилителя 9 и резистора 11 обратной связи отключен от «земли» несколькими р-n переходами транзисторов схемы операционного усилителя 9 в непроводящем электрический ток состоянии и обратными сопротивлениями управляемых ключей 12 и 13. Для увеличения общего обратного сопротивления можно выбрать операционный усилитель 9 с полевыми транзисторами на входе.
8
Во время действия положений, приведенных в предыдущем абзаце, напряжение на управляющих входах поддерживает управляемые ключи 14 и 15 в проводящем электрический ток состоянии. Через них на операционный усилитель 8 подаются питающие напряжения от источника 6 двух постоянных напряжений, и он находится в работающем состоянии. На неинвертирующий вход подается напряжение от источника 7 опорного напряжения и при большом значении коэффициента усиления операционного усилителя 8 К почти такое же значение (практически такое же напряжение) будет на инвертирующем входе. Прямое напряжение управляемого переключателя в прототипе следует сопоставлять с разностью напряжений между инвертирующим входом операционного усилителя 8 и источником опорного напряжения 7. Последнее определяется выражением
8
6
где  - прямое напряжение,  - напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя 8,  - его выходное напряжение и  - напряжение источника 7 опорного напряжения. В частности, при использовании названных выше операционных усилителей с K=10 можно получить значение прямого напряжения (3) в районе единиц микровольт, что недостижимо при использовании управляемых переключателей в прототипе. Электрический ток со входа резистивной матрицы 1 от инвертирующего входа операционного усилителя 8 на неинвертирующий вход и источник 7 опорного напряжения не проходит. Он ответвляется на резистор 10 обратной связи и замыкается через выходную цепь операционного усилителя 8. От этого создается эффект подключения входа резистивной матрицы 1 к источнику 7 опорного напряжения.
R10
Так как электрический ток со входа резистивной матрицы 1 (с инвертирующего входа операционного усилителя 8) непосредственно на источник 7 опорного напряжения не проходит, то в устоявшемся сложившемся понимании прямое сопротивление в данном конкретном случае тоже отсутствует. Как в общем случае, косвенно его можно определить через отношение имеющегося напряжения к имеющейся силе электрического тока. В данном случае имеется разность напряжений  и сила электрического I через резистор 10 обратной связи
ПР8
-3
Малое значение прямого сопротивления здесь тоже предопределяется весьма малым значением прямого напряжения U (3). С учетом приведенных выше частных численных примеров значение прямого сопротивления можно получить в районе 10 Ом, что недостижимо при использовании управляемых переключателей в прототипе. Все имеющиеся блоки управления резистивной матрицы R-2R работают точно так же, как и рассмотренный пример работы блока 5.
4
4
4
Известно, что при приведенных выше двух значениях напряжения на входах резистивной матрицы R-2R, которые обеспечивают одинаковые блоки управления резистивной матрицей, позволяют получать на выходе цифро-аналогового преобразователя значения напряжения U, соответствующие (пропорциональные) значениям входного цифрового кода. В частности, (для конкретного частного примера) при четырехразрядном входном цифровом коде и при значении параметров, как в прототипе: в резистивной матрице 1 горизонтально расположенные резисторы на фиг. 1 имеют значения сопротивления 10 Ом, вертикально расположенные резисторы имеют сопротивление 2⋅10 Ом, сопротивление резистора 4 обратной связи 10 и значение напряжения источника 7 опорного напряжения 3,75 В, зависимость значения выходного напряжения U цифро-аналогового преобразователя от входного двоичного цифрового кода отображается известной таблицей (табл. 1).
В ней столбец I соответствует самому старшему разряду двоичного цифрового кода (он обеспечивается блоком 5 на фиг. 1), а II, III, IV - последующим (младшим) разрядам. Более полно таблица приведена в тексте публикации прототипа (табл. 12.2).
Таким образом, в цифро-аналоговом преобразователе в элементах, выполняющих функцию переключения, существенно уменьшены значения прямого сопротивления и прямого напряжения, что уменьшает значение соответствующей составляющей погрешности преобразования.
Известным недостатком цифро-аналоговых преобразователей с обратным подключением входа и выхода резистивной матрицы R-2R является изменение силы тока нагрузки источника опорного напряжения с изменением цифрового кода. Это определяет нестабильность значения напряжения источника опорного напряжения и соответствующую составляющую погрешности преобразования. В рассмотренной схеме (фиг. 1) значение сопротивления нагрузки и соответственно силы электрического тока не изменяются. Источник опорного напряжения практически работает на холостом ходу.
4
4
Прямое сопротивление и его нестабильность с течением времени и особенно с изменением температуры в управляемых переключателях современных цифро-аналоговых преобразователей вынуждает выбирать сравнительно большие значения сопротивлений в резистивных матрицах, чтобы получить малое относительное изменение общего сопротивления (сопротивление резистора матрицы, плюс прямое сопротивление переключателя, плюс его изменение из-за нестабильности) и соответственно малую составляющую погрешности преобразователя. Так в прототипе используются сопротивления в резистивной матрице 10 и 2⋅10 Ом. Это приводит к тому, что с поступлением младших разрядов во входном цифровом коде изменение силы электрических токов в резистивной матрице происходит на весьма малые значения, сопоставимые с силой тока шумов, наводок и флуктуаций, т.е. теряется смысл в этих младших разрядах цифрового кода и ограничивается точность преобразования. В приведенной схеме (фиг. 1) существенно уменьшено значение прямого сопротивления элементов, выполняющих функцию переключения, что позволяет уменьшить значение сопротивлений резисторов резистивной матрицы R-2R, выбрать изменение силы электрических токов с поступлением младших разрядов во входном цифровом коде уверенно (существенно) больше силы тока шумов, наводок и флуктуаций, и открывается возможность в увеличении числа разрядов во входном цифровом коде и в повышении точности преобразования.