ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
DIGITAL-TO-ANALOGUE CONVERTER

Изобретение относится к области электроники, а именно к цифроаналоговым преобразователям.
В общем случае, преобразование дискретных цифровых сигналов в аналоговую форму производят путем коммутации калиброванных источников напряжения, тока, заряда и т.п. Применяют также методы временного управления, когда средняя за большой промежуток времени величина зависит от соотношения длительностей включенного и выключенного состояния соответствующего источника напряжения, соотношение же длительностей задают счетчиком числа тактов. Схемотехника различных типов цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) рассмотрена, например, в книге "CMOS Mixed-signal Circuit Design" Volume II / R.Jacob Baker, IEEE Press. Основными показателями качества для ЦАП являются точность, быстродействие и удобство реализации в интегральном исполнении.
В некоторых схемах ЦАП используют токи источников тока, находящиеся в троичном соотношении между собой, например 1,3, 9, 27.
Такая схема применена в ЦАП, выполненном согласно патенту «Цифроаналоговый преобразователь» RU 2360359 С1, МПК H03K 1/74, 27.06.2009, который является наиболее близким к заявленному изобретению и выбран в качестве прототипа.
В известной схеме ЦАП имеется несколько источников тока и такое же число дифференциальных усилителей, каждый из которых соединен с одним источником тока и выполнен с возможностью питания от данного источника тока, причем выходы дифференциальных усилителей соединены, при этом токи источников тока находятся в троичном соотношении между собой, а входами дифференциальных усилителей управляют таким образом, что ток каждого выхода усилителя принимает значения 0, Iо, Iо/2.
Недостатком ЦАП прототипа является то, что в нем дифференциальные усилители (которые работают в качестве ключей) используют для формирования трех уровней выходного тока (Io, Io/2 либо 0). Иными словами, в прототипе ключи используются не только как коммутаторы, которые включают или отключают ток, но также используются для формирования эталонного тока ЦАП (для деления пополам токов эталонных источников тока), то есть задействованы в обеспечении точности ЦАП. Поэтому для обеспечения высокой точности преобразования требуется большая точность дифференциальных усилителей, что усложняет и удорожает ЦАП.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции, уменьшение стоимости изготовления и повышение быстродействия цифроаналогового преобразователя за счет формирования двухполярного выходного сигнала.
Технический результат достигается тем, что в цифроаналоговом преобразователе, содержащем несколько источников тока и такое же число дифференциальных усилителей, выполненных на транзисторах, причем токи источников тока находятся в троичном соотношении между собой, для решения поставленной задачи, в него введены сумматор, положительная и отрицательная сборные шины, при этом каждый дифференциальный усилитель формирует трехпозиционный ключ, источники тока с помощью трехпозиционных ключей могут подключаться к положительной или к отрицательной сборным шинам, либо быть отключенными, причем положительная и отрицательная сборные шины подключены к сумматору, который из разности токов сборных шин формирует двухполярный выходной сигнал цифроаналогового преобразователя.
При этом один выход каждого дифференциального усилителя подключен к положительной сборной шине, второй выход каждого дифференциального усилителя подключен к отрицательной сборной шине.
Таким образом, поставленная задача решена путем создания цифроаналогового преобразователя, содержащего несколько переключающих каскадов с троичной логикой управления каскадом и тем, что токи источников тока каскадов находятся в троичном соотношении между собой, при этом основное отличие заявляемого изобретения от прототипа состоит в том, что в каждом переключающем каскаде источники тока могут быть подключены к положительной или отрицательной сборной шине, токи шин подаются на сумматор, который из разности токов сборных шин формирует двухполярный выходной сигнал ЦАП.
На фиг.1 представлена упрощенная схема ЦАП, выполненная согласно заявляемому изобретению.
На фиг.2 показан дифференциальный усилитель, выполненный на основе биполярных транзисторов.
Токи источников тока (1-4) находятся в троичном соотношении 1:3:9:27. Источники тока (1-4) могут подключаться с помощью трехпозиционных ключей (5-8) к положительной или к отрицательной сборным шинам, либо быть отключенными, сборные шины подключены к сумматору 9. Положительная сборная шина подключена к положительному входу сумматора 9, отрицательная сборная шина подключена к отрицательному входу сумматора 9.
Сумматор 9 из разности токов сборных шин формирует двухполярный выходной сигнал цифроаналогового преобразователя.
N
Данная схема ЦАП позволяет формировать выходной сигнал в диапазоне от +40 до -40. В общем случае данная схема ЦАП формирует 3 уровней выходного сигнала, где N - число каскадов (число источников тока). Соответственно для N=4 ЦАП может сформировать 81 выходной уровень.
Для лучшего понимания заявляемого изобретения рассмотрим формирование нескольких выходных сигналов ЦАП.
Например, сигнал, равный +14, может быть сформирован из источников тока как (-1-3-9+27). Сигнал, равный -15, может быть сформирован из источников тока как (+3+9-27).
Наибольшее быстродействие ключей в настоящее время достигнуто в переключающих устройствах, выполненных на базе дифференциального усилителя, состоящего из двух транзисторов. Ток Io условного источника тока 10 (фиг.2) подключен к транзисторам 11 и 12 дифференциального усилителя. При закрытых транзисторах 11 и 12 на выходах 13 и 14 ток отсутствует. При управляющих сигналах, открывающих транзистор 11, на выходе 13 появляется ток Io, на выходе 14 ток отсутствует. При управляющих сигналах, открывающих транзистор 12, на выходе 14 появляется ток Io, на выходе 13 ток отсутствует. Таким образом, один дифференциальный усилитель на транзисторах 11 и 12 формирует один из трехпозиционных ключей (5-8). При этом дифференциальный усилитель в заявленном изобретении работает только в ключевом режиме, включает и отключает ток, что упрощает требования к схеме и удешевляет ЦАП при той же точности.
Дифференциальный усилитель на фиг.2 условно показан выполненным на основе биполярных транзисторов. Точно так же имеется возможность выполнения дифференциальных усилителей на основе полевых (КМОП) транзисторов и транзисторов других типов.
N
N
N
Использование троичной логики управления предлагаемого ЦАП позволяет уменьшить число каскадов при сопоставимой точности. Так, для троичной логики управления схема ЦАП формирует 3 уровней выходного сигнала, где N - число каскадов. При двоичной логике управления схема ЦАП формирует 2 уровней выходного сигнала. Поэтому при одинаковом числе каскадов N троичная логика управления формирует в (3/2) раз больше уровней, чем ЦАП с двоичной логикой управления.
Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.