Усилители на полевых транзисторах

В качестве примера рассмотрим RС-усилитель на поле­вом транзисторе с p-n -переходом, включенном с общим истоком (рис. 6). Используем транзистор с каналом n –типа.

Для используемого транзистора начальное напряжение и_из должно быть положительным (p-n -переход должен находиться под запирающим напряжением). С целью по­лучения этого напряжения в цепь истока включают рези­стор R_И на котором возникает падение напряжения и_RИ от протекания по нему начального тока истока I_ИН. На­пряжение и_RИ через резистор R₃ передается на затвор. Так как ток затвора полевого транзистора пренебрежимо мал, падение напряжения на сопротивлении R₃ практически равно нулю, поэтому и_из = u_RИ

Рисунок 6

Рассмотренную схему обеспечения начального режима работы называют схемой с автоматическим смещением.

Пусть задан начальный ток стока (I_СН = I_ИН) и началь­ное напряжение U_изн между истоком и затвором. Тогда со­противление R_И следует выбрать из соотношения

Сопротивление R_з обычно выбирают порядка 1Мом.

Полезно отметить, что рассматриваемая схема обеспе­чения начального режима работы характеризуется повы­шенной стабильностью. Если по каким-либо причинам начальный ток стока I_СН начнет увеличиваться, то это при­ведет к увеличению напряжений U_RИ и U_И3, что будет пре­пятствовать значительному увеличению тока I_СН.

Модуль коэффициента усиления каскада в области средних частот определяется равенством

где S-крутизна стокозатворной характеристики полевого транзистора, определяемая по справочникам.

Назначение конденсаторов С₁, С₂ и С₄ аналогично на­значению соответствующих конденсаторов RC - усили­теля на биполярном транзисторе.

Частотные характеристики рассматриваемого усилите­ля подобны частотным характеристикам RC - усилителя на биполярном транзисторе.

ЛИНЕЙНЫЕ СХЕМЫ НА ОСНОВЕ

ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ (ОУ)

Как уже отмечалось, операционные усилители в насто­ящее время используются в самых различных электронных устройствах. Их широко применяют как в аналоговых, так и в импульсных устройствах электроники. В то же время существуют и часто используются типовые линейные схе­мы на основе операционных усилителей. Такие типовые схемы должен знать каждый инженер, использующий электронные устройства. Именно такие схемы рассматри­ваются ниже.

Очень полезно овладеть достаточно простыми приема­ми ручного анализа электронных схем на основе операци­онных усилителей. Это значительно облегчит понимание принципа действия конкретных устройств электроники и будет способствовать получению достоверных результатов машинного анализа. Указанные приемы анализа основа­ны на ряде допущений, принимаемых в предположении, что используемые операционные усилители достаточно близки к идеальным. Практика расчетов показывает, что результаты, получаемые на основе допущений, имеют вполне приемлемую погрешность.

Примем следующие допущения:

1. Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю ().

2. Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т. е. операционный усилитель со стороны выхода является идеальным источником напряжения (R_вых = 0).

3. Коэффициент усиления по напряжению (коэффици­ент усиления дифференциального сигнала) равен беско­нечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиле­ния равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).

4. В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. Полезно обратить внимание на тот факт, что в режиме насыщения диффе­ренциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.

5. Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.

6. Напряжение смещения нуля равно нулю.

Инвертирующий усилитель на основе ОУ

Рассмотрим схему инвертирующего усилителя (рис. 2.25), из которой видно, что в ней действует параллельная обратная связь по напряжению. Так как i_- = 0, то в соответствии с первым законом Кирхгофа i₁=i₂.

Рисунок 7

Предположим, что операционный усилитель работает в режиме усиления, тогда и_диф = 0. В соответствии с этим на основании второго закона Кирхгофа получим

Учитывая, что i₁=i₂ получаем

Таким образом, инвертирующий усилитель характеризуется коэффициентом усиления по напряжению, равным

Для уменьшения влияния входных токов операционно­го усилителя на выходное напряжение в цепь неинвертируюшего входа включают резистор с сопротивлением R₃ (рис. 8), которое определяется из выражения

Рисунок 8

Входное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах значительно ниже собственного входно­го сопротивления операционного усилителя. Это полно­стью соответствует сделанному раннее выводу о том, что параллельная отрицательная обратная связь, имеющая место в схеме, уменьшает входное сопротивление. Учиты­вая, что и_диф ≈ 0, легко заметить, что входное сопротивле­ние усилителя на низких частотах приблизительно равно R₁.

Выходное сопротивление инвертирующего усилителя на низких частотах R_вых.oc существенно меньше выходно­го сопротивления на низких частотах R_выx собственно опе­рационного усилителя. Это является следствием действия отрицательной обратной связи по напряжению.

Можно показать, что

где К - коэффициент усиления по напряжению операци­онного усилителя.

Схемы с диодами

и стабилитронами на основе ОУ

Рассматриваемые схемы являются нелинейными, так как содержат нелинейные элементы - диоды и стабили­троны. Однако часто такие схемы анализируют, без ис­пользования ЭВМ, как линейные. При этом часто диоды и стабилитроны считают идеальными и заменяют откры­тые диоды и стабилитроны закоротками, запертые диоды и стабилитроны - разрывами, а стабилитроны, работаю­щие в режиме пробоя, - источниками напряжения.

При использовании подобных способов линеаризации нелинейных схем основная проблема состоит в том, что­бы перед анализом определить, в каком режиме работает каждый нелинейный элемент. Здесь большую помощь может оказать опыт анализа подобных схем. Пусть сдела­но некоторое предположение о состоянии нелинейных элементов (например, предполагается, что первый диод открыт, второй закрыт и т. д.). Тогда после анализа схемы, выполненного на основе этого предположения, необходи­мо проверить его правильность. Например, необходимо убедиться, что через предположительно открытый диод, замененный закороткой, ток протекает в прямом направ­лении. При машинном анализе схемы, подобные рассмат­риваемым, анализируются как нелинейные.

Для примера выполним анализ схемы на рис. 9, предполагая, что диоды - идеальные. Пусть вначале и_вх = 1В. Если диод D1 открыт (заменяем его закороткой), а диод D2 - закрыт (заменим его разрывом), то получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 10. Из дан­ной схемы следует, что

Рисунок 9

Рисунок 10

Рисунок 11

Проверим правильность сделанного предположения, для чего определим ток i_D1 диода D₁ и напряжение u_D2 диода D₂. Используя допущение о том, что и_диф =0, по­лучаем u_D2 = -2 В и i_D1 = 0,2 мА. Так как напряжение на диоде D₂ отрицательное, а ток через диод D₁ положителен, можно утверждать, что предположение было правильным.

Пусть теперь и_вх = -1 В. Предположим, что диод D₁ закрыт, а диод D₂ открыт. Тогда получим эквивалентную схему, приведенную на рис. 11, из которой получаем, что

Для проверки правильности сделанного предположения определим i_D2:

Очевидно, что i_D1=0. Полученные результаты позволяют утверждать, что предположение было правильным.

УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Усилитель называют усилителем постоянного тока (УПТ), если он может усиливать постоянные и медленно изменяющиеся сигналы. Такой усилитель может исполь­зоваться и для усиления переменных сигналов.

Выше рассмотрены операционные усилители, являю­щиеся усилителями постоянного тока. Но внутреннее ус­тройство операционных усилителей не рассматривалось.

Для того, чтобы постоянные или медленно изменяю­щиеся сигналы могли быть переданы с входа усилителя на его выход, должны использоваться только гальванические связи между отдельными частями усилителя или эти сигналы должны быть преобразованы в переменные. По­лученные переменные сигналы могут быть усилены с по­мощью усилителей переменного тока, в которых гальва­нические связи разорваны с помощью конденсаторов или трансформаторов. После усиления переменные сигналы должны быть преобразованы в постоянные или медленно изменяющиеся.

При построении УПТ с использованием гальваничес­кой связи между каскадами получают УПТ, которому присуще такое вредное явление, как дрейф нуля. Под дрейфом нуля понимают самопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном нулевом вход­ном. Основными причинами дрейфа нуля усилителя яв­ляются: изменение параметров элементов схемы, прежде всего транзисторов, за счет изменения температуры окру­жающей среды; изменение питающих напряжений; посто­янное изменение параметров активных и пассивных эле­ментов схемы, вызванное их старением. Сигнал дрейфа нуля может быть соизмерим с полезным сигналом, поэто­му при построении УПТ принимают меры по снижению дрейфа нуля. Основными мерами снижения дрейфа явля­ются жесткая стабилизация источников питания усилите­лей, использование отрицательных обратных связей, при­менение балансных компенсационных схем УПТ, использование элементов с нелинейной зависимостью па­раметров от температуры для компенсации температурно­го дрейфа, применение УПТ с промежуточным преобра­зованием и др.

Важным вопросом при построении УПТ является так­же согласование потенциалов соседних каскадов, согласо­вание источника входного сигнала с УПТ, а также подклю­чение нагрузки к УПТ таким образом, чтобы при нулевом входном напряжении напряжение на нагрузке было так­же равно нулю. Поэтому простейшие УПТ, состоящие из нескольких каскадов, включенных последовательно и со­единенных гальванической (непосредственной) связью, даже при условии согласования потенциалов обладают рядом недостатков, главным из которых является дрейф нуля.

Таким образом, для устранения отмеченных выше недо­статков УПТ строят в виде параллельно-балансных каска­дов, представляющих собой сбалансированный мост, в одно плечо которого включена нагрузка, а в другое -источник питания. Схема такого УПТ приведена на рис. 12.

Коллекторные сопротивления R_K1 и R_К2, транзисторы Т₁ и Т₂, резистор R_Э образуют мост, к одной диагонали кото­рого подключен источник питания Е_К, а в другую диаго­наль - между коллекторами транзисторов - включается нагрузка.

Рисунок 12

При нулевых входных сигналах и полной симметрии схемы (R_К1 = R_K2, Т₁ и Т₂ одинаковы) потенциалы коллек­торов транзисторов Т₁ и Т₂ одинаковы и и_вых, равное u_K1-u_K2, равно нулю. Высокая стабильность схемы объяс­няется тем, что при изменении напряжения источника пи­тания или при одинаковых изменениях параметров тран­зисторов (например, за счет температуры) потенциалы обоих коллекторов получают равные приращения и, сле­довательно, выходное напряжение остается равным нулю. В реальных схемах всегда имеется некоторая несимметрия плеч и существует некоторый дрейф нуля, хотя он и зна­чительно меньше, чем в других схемах. Входной сигнал в этой схеме может подаваться либо между базами, либо на одну из баз при фиксированном потенциале другой.

Представив R_Э в виде двух параллельно соединенных сопротивлений удвоенной величины (см. пунктир на рис. 12), можно увидеть, что рассматриваемый УПТ представляет собой два каскада с эмиттерной стабилизаци­ей, объединенных соответствующим образом (см. верти­кальные разделительные линии). Включив последователь­но с R_Э дополнительный источник Е_Э, можно обеспечить такой начальный режим работы транзисторов, при котором потенциалы входов равны нулю и, следовательно, возмож­но убрать из схемы сопротивления делителей R₁, R₂, R₃, R₄. В результате получится схема дифференциального усили­теля.

Усилитель постоянного тока с модуляцией и демодуляцией

(усилитель типа МДМ)

В усилителях рассматриваемого типа входной постоян­ный или медленно изменяющийся сигнал, как уже отме­чалось, преобразуется (модулируется) в переменный сигнал по­вышенной частоты. Полученный сигнал усиливается с помощью усилителя переменного напряжения, а затем вновь преобразуется (демодулируется) в постоянный или медленно изменяющийся. Частота переменного напряже­ния часто составляет десятки килогерц.

Структурная схема усилителя типа МДМ приведена на рис. 2.13. Модулятор преобразует постоянный или мед­ленно изменяющийся входной сигнал в переменное на­пряжение с частотой/_оп, определяемой генератором опор­ного напряжения, и амплитудой, пропорциональной входному сигналу. Переменное напряжение и_м с выхода модулятора поступает на вход низкочастотного усилите­ля переменного тока. Демодулятор - фазочувствительный выпрямитель - преобразует переменное напряжение в постоянное, причем величина постоянного напряжения пропорциональна амплитуде переменного напряжения, а следовательно, пропорциональна входному сигналу.

Временные диаграммы указанных на схеме напряже­ний, поясняющие работу усилителя, приведены на рис. 2.14.

Вследствие того, что в усилителях типа МДМ разорва­ны гальванические связи между каскадами, удается достичь высокого качества усиления, так как дрейф нуля в данной схеме отсутствует. Такие усилители могут исполь­зоваться в высокоточных (прецизионных) устройствах. Еще одним достоинством усилителей типа МДМ является возможность изолировать с помощью трансформатора вход­ную и выходную части. Изолирующие усилители широко используются, к примеру, в медицинской электронике.

Рисунок 13

Рисунок 14

УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

(мощные выходные усилители)

Усилителем мощности называют усилитель, предназна­ченный для обеспечения заданной мощности нагрузки Р_Н при заданном сопротивлении нагрузки R_H. Усилитель мощности является примером устройств силовой электро­ники. Основная цель при разработке таких устройств со­стоит в том, чтобы отдать нагрузке заданную мощность.

В противоположность устройствам силовой электрони­ки при проектировании устройств информативной (ин­формационной) электроники основная цель состоит в том, чтобы выполнить заданную обработку сигнала и по­лучить выходные сигналы, содержащие ту или иную ин­формацию о входных сигналах. В качестве примера можно назвать устройства, определяющие в какой момент времени вход­ной сигнал принимает максимальное значение. В устрой­ствах информативной электроники, как правило, стремят­ся снизить мощность обрабатываемых сигналов до такого уровня, при котором помехоустойчивость устройства еще приемлема. Получается в устройствах силовой электроники такую задачу нельзя ставить в принципе.

Реальное устройство может содержать черты как сило­вой, так и информативной электроники, но об указанном различии следует постоянно помнить. Необходимо отме­тить, что функции устройств информативной электрони­ки все чаще берут на себя микропроцессоры. Но микро­процессоры, естественно, не в состоянии выполнять функции устройств силовой электроники.

На усилитель мощности, как правило, приходится по­давляющая часть мощности, потребляемая тем устрой­ством, составной частью которого он является. Поэтому всемерное внимание уделяется повышению коэффициен­та полезного действия усилителя мощности. Другой важ­ной проблемой является уменьшение габаритных раз­меров и веса усилителя мощности, так как они часто определяют габаритные размеры и вес всего устройства. Проблемы повышения коэффициента полезного действия и уменьшения габаритных размеров тесно связаны, пото­му что габаритные размеры и вес усилителя сильно зависят от габаритных размеров и веса охладителей. Чем больше коэффициент полезного действия, тем меньше габарит­ные размеры и вес усилителя.

Транзисторы усилителей мощности работают в режиме большого сигнала, когда амплитуды переменных состав­ляющих токов и напряжений достаточно велики. При этом заметно проявляются нелинейные свойства транзи­сторов и возникают нелинейные искажения входного сиг­нала. С другой стороны, обычно не допускается, чтобы выходной сигнал был сильно искаженным.

Уровень нелинейных искажений и КПД усилителя мощности существенно зависят от начального режима ра­боты, причем нелинейные искажения обусловливаются нелинейностью не только входных, но и выходных харак­теристик транзисторов, так как они работают в режиме большого сигнала. Минимально возможный уровень не­линейных искажений можно обеспечить в режиме клас­са А, а максимально возможный КПД - в режиме клас­сов В или АВ.

Усилители мощности бывают однотактные и двухтакт­ные, причем первые работают в режиме класса А, а вто­рые - в режиме классов В или АВ. Однотактные усили­тели мощности применяются при относительно малых выходных мощностях (единицы ватт).

В соответствии с требованием обеспечить заданную мощность нагрузки Р_Н при разработке усилителя мощно­сти должен быть решен вопрос о соответствующем выбо­ре напряжения питания усилителя Е. Предположим, что усилитель с указанным напряжением питания может со­здать на нагрузке синусоидальный сигнал с максимально возможной амплитудой напряжения

Тогда максимально возможная мощность нагрузки P_HМАКС определится выражением

Откуда

Если по каким-либо причинам выбрать полученное значение Е не представляется возможным, для согласова­ния усилителя и нагрузки можно использовать трансформа­тор. Однако трансформатор часто является нежелательным элементом усилителя мощности, так как это сравнительно дорогое и сложное в изготовлении устройство.

Рассмотрим согласование нагрузки и усилителя с по­мощью трансформатора (рис. 15). Через W₁ и W₂ обозна­чено соответственно количество витков первичной и вто­ричной обмоток трансформатора, а через и_вых и R_вых - соответственно выходное напряжение и выходное сопро­тивление усилителя.

Рисунок 15

При определении мощности нагрузки эту схему можно заменить эквивалентной схемой, приведенной на рис. 16. В ней через R'_н обозначено приведенное сопротивление нагрузки

где n – коэффициент трансформации

Рисунок 16

Изменяя коэффициент трансформации, можно добить­ся необходимого согласования усилителя и нагрузки, при­чем известно, что максимальная мощность в нагрузку от­дается при R _вых = R'_H. Отсюда определим оптимальное значение коэффициента трансформации:

Трансформаторные усилители мощности

Рассмотрим однотактный усилитель мощности, в кото­ром трансформатор включен по схеме с ОЭ (рис. 17). Трансформаторы TP₁ и ТР₂ предназначены для согласования нагрузки и выходного сопротивления усилителя и входного сопротивления усилителя с сопротивлением ис­точника входного сигнала соответственно. Элементы R и D обеспечивают начальный режим работы транзистора, а С увеличивает переменную составляющую, поступающую на транзистор Т.

Для анализа схемы изобразим семейство выходных ха­рактеристик транзистора, линии нагрузки и временные диаграммы (рис. 18). Линия 1 - это линия нагрузки по постоянному току, выходящая из точки, соответствующей Е_К, а наклон ее определяется омическим сопротивлени­ем первичной обмотки трансформатора ТР₂. Точка 0 яв­ляется начальной рабочей точкой транзистора. Через нее проходит линия нагрузки по переменному току 2, наклон которой определяется приведенным сопротивлением нагрузки. Из графических построений следует, что напряжение на транзисторе может достигать почти удвоенной величины Е_К.

Проведём количественный анализ рассматриваемой схемы:

где - выходная мощность, приведённая к первичной обмотке трансформатора ТР₂;

где - КПД ТР₂ ( = 0,75 ÷0,95).

Мощность, потребляемая усилителем от источника пи­тания, Следовательно, КПД усилителя

Для идеального усилителя а следовательно, теоретический КПД усилителя η_теор = 0,5. Реальный же КПД

η_реал = 0,3÷0,35.

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности (рис. 17). Транзисторы могут быть включены по схеме либо с ОЭ (рис. 17, а), либо с ОБ (рис. 17, б).

Обе схемы могут работать в режиме класса В (резисто­ры R₁ и R₂ не используются) либо в режимах классов АВ или А (резисторы R₁ и R₂ обеспечивают соответствующий начальный режим работы транзисторов).

Временные диаграммы, соответствующие классу В (рис. 18), показывают, что двухтактный усилитель мож­но рассматривать как две независимые схемы, работаю­щие поочередно, каждая в течение полупериода входного сигнала. Проведем количественный анализ двухтактного усилителя, работающего в режиме класса В при включе­нии транзисторов по схеме с общей базой (рис. 2.43, б). Средний ток (постоянная составляющая) каждого из тран­зисторов с учетом обратного тока I_к0.

Рисунок 17

Рисунок 18

Таким образом, ток и мощность, потребляемые усилителем от источника тока, соответственно равны:

где

Так же, как это делалось ранее для однотактного усилителя мощности, определим а

Следовательно, КПД двухтактного усилителя мощности в режиме класса В

Для идеального усилителя а следовательно, теоретический КПД Реальный же КПД составляет 0,6÷0,7.

Поскольку трансформатор является нежелательным элементом усилителей мощности, так как имеет большие габариты и вес, относительно сложен в изготовлении, то в настоящее время наибольшее распространение находят бестрансформаторные усилители мощности.

Бестрансформаторные усилители мощности

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности на би­полярных транзисторах различного типа проводимости на вход усилителя положительной полуволны напряжения и_вх транзистор Т₁ работает в режиме усиления, а транзис­тор Т₂ - в режиме отсечки. При поступлении отрицатель­ной полуволны транзисторы меняются ролями. Так как напряжение между базой и эмиттером открытого транзи­стора мало (около 0,7 В), напряжение и_вых близко к напря­жению и_вх. Однако выходное напряжение оказывается искаженным из-за влияния нелинейностей входных ха­рактеристик транзисторов. Для рассматриваемого усили­теля максимально возможная амплитуда напряжения на нагрузке U_m равна Е. Поэтому максимально возможная мощность нагрузки определяется выражением

Можно показать, что при максимальной мощности нагрузки усилитель потребляет от источников питания мощность, определяемую выражением

Отсюда получаем максимально возможный коэффициент полезного действия усилителя

Для уменьшения нелинейных искажений обеспечива­ют некоторое начальное смещение на входах транзисторов и тем самым переводят их в режим класса АВ (рис. 19). При этом коэффициент полезного действия несколько уменьшается.

Рисунок 19

Рассмотрим двухтактный усилитель мощности с опера­ционным усилителем (рис. 20). В схеме использована общая отрицательная обратная связь (резисторы R_x и R₂), охватывающая оба каскада (на операционном усилителе и на биполярных транзисторах), благодаря которой схема создает настолько малые нелинейные искажения, что часто не требует дополнительных цепей смещения для кас­када на транзисторах Т₁ и Т₂. Поскольку напряжение на нагрузке R_н примерно равно напряжению на выходе ОУ, то мощность на выходе всего усилителя ограничивается выходным напряжением ОУ.

Рисунок 20

АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП, DAC - Digital to Analog Converter) предназначены для преобразо­вания цифровых сигналов в аналоговые. Они используют­ся для формирования сигнала в виде напряжения или тока, функционально связанного с управляющим кодом, причем в большинстве случаев эта функциональная зави­симость является линейной. ЦАП преобразует цифровой (двоичный или двоично-десятичный) код в напряжение или ток, значения которых пропорциональны цифровому сигналу. Так, например, на вход четырехбитового ЦАП могут поступать 16 различных двоичных чисел (2⁴ = 16) и каждому такому числу будет соответствовать строго свое значение напряжения на выходе ЦАП или величина вы­ходного тока. Очевидно, что с увеличением количества входов ЦАП увеличивается количество возможных значе­ний выходного параметра, а разность между двумя их со­седними значениями уменьшается, т. е. формируется вы­ходной сигнал, все более близкий к аналоговой величине.

Такое преобразование цифрового сигнала в аналоговый необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой сигнал для передачи на большое расстояние или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук).

Другой пример использования такого преобразова­ния — получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых опреде­ляется непосредственно аналоговым сигналом (что, в ча­стности, имеет место при управлении двигателями).

ЦАП применяются в системах передачи данных, в изме­рительных приборах (вольтметры, генераторы, цифровые осциллографы и т. п.), в компьютерных системах (форми­рование изображений на экранах дисплеев и т. п.), в радио­локационной технике и во многих других областях.

К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелиней­ности, погрешность смещения нуля и др.

Разрешающая способность - величина, обратная мак­симальному числу шагов квантования. Иногда разрешаю­щую способность ЦАП оценивают величиной шага кван­тования, т. е. величиной выходного напряжения при изменении входного кода на единицу младшего разряда. Очевидно, что разрешающая способность тем выше, чем больше разрядность ЦАП.

Время установления t_ycт - интервал времени от пода­чи кода на вход до момента, когда выходной сигнал вой­дет в заданные пределы, определяемые погрешностью.

Погрешность нелинейности - максимальное отклоне­ние графика изменения выходного напряжения от идеаль­ной прямой во всем диапазоне преобразования.

Погрешность смещения нуля - значение, на которое выходной сигнал смещается относительно нуля, когда входной код соответствует нулю.

Все ЦАП классифицируют по ряду признаков: принци­пу действия, по виду выходного сигнала, по характеру источника опорного напряжения, по полярности выход­ного сигнала и др.

Кроме этого ЦАП подразделяют по количеству входных разрядов, элементной базе, времени установления, по­требляемой мощности, напряжению питания и т. п.

По принципу действия наибольшее распространение получили ЦАП с суммированием токов, делением напря­жений и суммированием напряжений.

По виду выходного сигнала все ЦАП разделяют на ЦАП с токовым выходом и ЦАП с выходом по напряжению.

По характеру источника опорного напряжения разли­чают ЦАП с постоянным опорным напряжением и с из­меняющимся опорным напряжением.

По полярности выходного сигнала ЦАП подразделяют на одно- и двухполярные.

Как и рассматриваемые ниже аналого-цифровые пре­образователи (АЦП), ЦАП являются «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существу­ют различные принципы построения ЦАП.

Рассмотрим наиболее используемые из них. На рис. 21 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов.

Рисунок 21

Ключ S₅ замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S₁…S₄ (при этом U_вых = 0). U₀ - опорное напряже­ние. Каждый резистор во входной цепи соответствует оп­ределенному разряду двоичного числа.

По существу этот ЦАП - инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы не представляет затруднений. Так, если замкнут один ключ S₁, то U_вых=-U₀·R_oc/R, что соответствует единице в первом и нулям в остальных разрядах.

Из анализа схемы следует, что модуль выходного напря­жения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S₁...S₄. Токи ключей S₁...S₄ суммируются в точке а, причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определя­ет название схемы. Из вышеизложенного следует, что

т.е.

где S_i, i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответ­ствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

Состояние ключей определяется входным преобразуе­мым кодом. Схема проста, но имеет недостатки: значитель­ные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить зат­руднительно.

Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R-2R (матрицы постоянного сопротивления) (рис. 22). В схе­ме использованы так называемые перекидные ключи S₁...S₄, каждый из которых в одном из состояний подклю­чен к общей точке, поэтому напряжения на ключах неве­лики. Ключ S₅ замкнут только тогда, когда все ключи S₁...S₄ подключены к общей точке. Во входной цепи ис­пользованы резисторы всего с двумя различными значе­ниями сопротивлений.

Рисунок 22

Из анализа схемы можно увидеть, что и для нее модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S₁...S₄. Анализ легко выполнить, учитывая следующее. Пусть каж­дый из ключей S₁...S₄ подключен к общей точке. Тогда, как легко заметить, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек a...d в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке b в 2 раза больше, чем в точке а (напряжения U_a, U_b,U_си U_dв ука­занных точках определяются следующим образом: U_d= U₀; U_c = U₀/2; U_b = U₀/4; U_a = U₀/8). Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точ­ках a...d не изменятся, так как напряжение между входа­ми операционного усилителя практически нулевое.

Нетрудно видеть, что особенностью данной матрицы является то, что при любом положении ключей S₁...S₄ входное сопротивление матрицы всегда равно R, а следо­вательно, ток, втекающий в матрицу от источника опорного напряжения U₀, всегда равен I₀ = U₀/R. Далее он последовательно делится в узлах матрицы d, c, b, a по двоичному закону.

Для представления каждого разряда десятичного чис­ла используется отдельная матрица R-2R (обозначены прямоугольниками). Z₀...Z₃ обозначают числа, определен­ные состоянием ключей каждой матрицы R-2R. Принцип действия становится понятным, если учесть, что сопро­тивление каждой матрицы R, и если выполнить анализ фрагмента схемы, представленного на рис. 23.

Из анализа следует, что

где

Следовательно, С учётом этого получим

Таким образом, в рассмотренных схемах с помощью операционного усилителя осуществляется преобразование двоично-масштабированных токов в выходное напряже­ние. Однако операционные усилители являются самыми медленнодействующими частями ЦАП. Более высокое быстродействие обеспечивают ЦАП с токовым выходом. Токи в таких ЦАП можно сформировать с помощью мат­рицы транзисторных источников тока с масштабирующи­ми эмиттерными резисторами или используя матрицу R-2R из эмиттерных резисторов. Рассмотрим оба эти ва­рианта. На рис. 24 представлена схема четырехразряд­ного ЦАП с матрицей R-2R, а на рис. 25 - ЦАП с мас­штабирующими эмиттерными резисторами.

Рисунок 23

Преобразователь опорного напряжения в ток построен на основе операционного усилителя ОУ, транзистора Т₀ и образцового резистора R₀, и опорный ток равен I₀ = U₀/R₀. Напряжения на базах транзисторов источников разрядных токов равны напряжению на базе транзистора Т₀ (все базы транзисторов соединены), поэтому токи в них определя­ются матрицей R-2R (рис. 24) или матрицей масшта­бирующих (взвешенных) резисторов R...8R (рис. 25) и удваиваются от транзистора к транзистору. Так, ток в тран­зисторе T₁ в два раза меньше, чем в транзисторе Т₂, в 4 раза меньше, чем в транзисторе T ₃ и в 8 раз меньше, чем в тран­зисторе T ₄, т. е. ключ S₁ соответствует младшему разряду четырехразрядного двоичного числа, а S₄ - старшему раз­ряду. Если ключ S_i находится в левом положении, то это соответствует единице в соответствующем i-м разряде входного числа. Правое положение ключа S_i соответству­ет нулю в этом i-м разряде. Таким образом, через транзис­торы Т₄-T₁ протекают двоично-взвешенные токи и транзи­сторы имеют соотношение площадей 8:4:2:1 соответственно. Изменение этих токов от расчетных величин контролиру­ется по току I₀ транзистора Т₀, который находится с тран­зисторами T ₄-Т₁ в одинаковых температурных условиях. При отклонении I₀ от заданного значения на базы тран­зисторов Т₄-T₁ будет подаваться сигнал коррекции, что приведет к восстановлению между ними исходного соот­ношения 8:4:2:1.

Рисунок 24

Выпускаемые ЦАП часто содержат комбинированные резистивные матрицы. Так, микросхема ЦАП типа К594ПА1 представляет собой двенадцатиразрядный ЦАП на комбинированной резистивной матрице и биполярных транзисторах. В резистивной матрице использованы дво­ично-взвешенные резисторы в старших разрядах с перво­го по восьмой и матрица R-2R в младших разрядах с де­вятого по двенадцатый. Матрица выполнена на отдельном кристалле, входящем в микросхему, по тонкопленочной технологии и при ее изготовлении используется лазерная подгонка резисторов матрицы.

Рисунок 25

Если для ЦАП с токовым выходом требуется получить выходное напряжение, то сделать это можно подключая к его выходу внешний операционный усилитель с резис­тором в цепи отрицательной обратной связи, аналогично как в выше рассмотренных ЦАП (рис. 21- 23). За­частую этот (или эти) резисторы встроены в ЦАП. Так, в ЦАП типа К594ПА1 имеются 2 прецизионных резистора по 5 кОм каждый, и они могут включаться в цепь отрица­тельной обратной связи внешнего операционного усили­теля либо последовательно, либо параллельно, либо мо­жет включаться один из резисторов. При этом выходное напряжение будет изменяться в первом случае до 20 В, во втором - до 5 В, а в третьем - до 10 В.

Как следует из анализа ранее рассмотренных ЦАП (рис. 21), их выходное напряжение пропорциональ­но произведению опорного напряжения на входной циф­ровой код. Это используют для построения умножающих ЦАП, в которых отсутствует источник опорного напряже­ния, но имеется вход для его подключения. Если на этот вход умножающего ЦАП подавать переменное напряже­ние, то на выходе ЦАП будет также переменное напряже­ние, амплитуда которого определяется цифровым кодом на входе ЦАП. Это обстоятельство используют для изме­нения величины переменного аналогового сигнала в за­данное число раз, например, в цифровых аттенюаторах различных приборов.

В умножающих ЦАП обычно применяются токовые ключи на основе МДП-транзисторов в режиме малых на­пряжений стока, что дает им возможность работать с опорным напряжением произвольных знака и формы. Выходное напряжение таких ЦАП также может быть как положительным, так и отрицательным.

Применение рассмотренных ЦАП (с параллельной пе­редачей данных) совместно с микропроцессорами приво­дит к тому, что эти устройства занимают слишком много портов микропроцессора. В этом случае можно использо­вать последовательные ЦАП (ЦАП с последовательным интерфейсом). Такие ЦАП часто имеют встроенный ре­гистр сдвига данных, которые поступают на ЦАП в после­довательном виде, а снимаются в параллельном. Следует иметь в виду, что скорость передачи данных в таких ЦАП ниже, чем в ЦАП с параллельной передачей данных.

ЦАП могут быть одно- и многоканальными. Многока­нальная работа ЦАП обеспечивается либо объединением в одной микросхеме нескольких идентичных ЦАП, рабо­тающих независимо друг от друга, либо использованием коммутатора каналов.

Наиболее распространенными являются ЦАП серий микросхем 572, 594, 1108, 11 18 и др. В табл. 1 приведе­ны параметры некоторых ЦАП.

Таблица 1

Так, микросхема К1108ПА1 представляет собой быст­родействующий 12-разрядный ЦАП и согласуется с ТТЛ схемами. Преобразует 12-разрядный параллельный код в выходной униполярный или биполярный ток. В состав микросхемы входят 12 токовых ключей, схема стабилиза­ции тока ключей, резисторная матрица R-2R. Преобразо­вание осуществляется по принципу суммирования двоич­но-взвешенных токов. Применяется в быстродействующих системах обработки информации, измерительной техни­ке, системах автоматического регулирования, связи, про­мышленного и вещательного телевидения.

В табл.1 две последние микросхемы - это ЦАП фир­мы Maxim с последовательным интерфейсом. Так, микро­схема МАХ551 представляет собой 12-разрядный ЦАП с выходом по току с напряжением питания 5 В, очень ма­лым током потребления - 5 мкА и малым временем уста­новления - 80 нс.

В тех случаях, когда необходимо уменьшить количество разрядов используемых ЦАП, необходимо на нужное ко­личество младших разрядов ЦАП подать логические нули, т. е. подключить то или иное число младших разрядов ЦАП к «земле».

Дата добавления: 2014-11-09