Использование КМОП ЦАП в качестве управляемого делителя напряжения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2016

John Wynne

EDN

В устройствах, для которых достаточно 8-битного разрешения, цифровые потенциометры, такие, например, как AD5160, выпускаемые Analog Devices, прекрасно выполняют функции делителей напряжения с цифровым управлением. В статье предлагается делитель напряжения на основе КМОП ЦАП, который может оказаться полезным в приложениях, требующих более высокого разрешения.

Миллионы лестничных КМОП ЦАП с матрицей резисторов R-2R нашли применение в схемах аттенюаторов, в которых внешний операционный усилитель, включенный преобразователем ток-напряжение, формирует виртуальную землю на одном из токовых выходов. В пределах допустимых режимов операционный усилитель способен вырабатывать требуемое выходное напряжение как при постоянном, так и при переменном напряжении на входе опорного напряжения ЦАП. Обычно фаза выходного сигнала инвертируется относительно входного, что требует использования в схеме двух источников питания.

Рисунок 1.	Эта простая схема не инвертирует фазу и работает с одним  источником питания. В таком включении ЦАП работает как резистор с цифровым управлением.

На Рисунке 1 показана простая схема, измененная так, чтобы в ней отсутствовала инверсия фазы, а значит, чтобы схема могла работать с одним источником питания. В такой конфигурации ЦАП представляет собой резистор с цифровым управлением, входной код которого изменяет эффективное сопротивление между выводом опорного напряжения и токовым выходом I_OUT1. Рисунок 2 демонстрирует практическую реализацию этой идеи, основанную на использовании половины сдвоенного 12-разрядного токового ЦАП AD5415, работающего в режиме делителя напряжения. Для упрощения схемы линии управления ЦАП на Рисунке 2 не показаны. Операционный усилитель A₁ поддерживает напряжение на токовом выходе I_OUT2A равным напряжению на токовом выходе I_OUT1A. Такое решение исключает разбаланс напряжений между этими двумя шинами, который мог бы стать причиной различия напряжений затвор-исток внутренних ключей и ухудшения его линейности.

Рисунок 2.	В практической реализации схемы на Рисунке 1 используется половина сдвоенного 12-разрядного токового ЦАП AD5415, включенного делителем напряжения.

Резистор R₁ вместе с внутренним резистором ЦАП R_FB образуют составной резистор обратной связи, сопротивление которого равно входному импедансу R матрицы R-2R. Для такого включения передаточная функция схемы равна

где

R_EFF – эффективное сопротивление ЦАП, установленное цифровым кодом на входе.

Его значение равно

где

n – разрешение ЦАП,
N – двоичный эквивалент входного цифрового кода.

Подставляя второе выражение в первое, и считая, что ошибка усиления ЦАП равна нулю, получаем упрощенную формулу для передаточной функции:

Когда все внутренние ключи разомкнуты, эффективное сопротивление между входом опорного напряжения и выводом I_OUT1A равно бесконечности, поэтому стартовой точкой для выходного напряжения при нулях на всех входах управления ЦАП будет 0 В. По мере увеличения кода выходное напряжение будет линейно возрастать, и в идеале достигнет половины входного при единицах на всех управляющих входах ЦАП.

Максимальное значение выходного напряжения ограничено пороговыми напряжениями N-канальных транзисторов внутренних КМОП ключей ЦАП, из-за чего использование схемы в полном диапазоне управляющих кодов возможно не во всех случаях. Это связано с тем, что напряжение на затворах ключей остается привязанным к напряжению V_DD, в то время как напряжение на истоках увеличивается с ростом напряжения на I_OUT1A. По мере увеличения этого напряжения сопротивление открытых ключей становится большим и неопределенным, в результате чего начинается насыщение выхода, а поведение делителя перестает быть предсказуемым. Для правильной работы схемы напряжение V_DD должно быть на несколько вольт выше максимального выходного напряжения, то есть, половины входного напряжения. Это же правило можно сформулировать по другому: входное напряжение должно быть более чем в два раза меньше напряжения V_DD – 3 В. При напряжении V_DD равном 5 В область линейной работы составляет примерно 3.33 В, после чего выход схемы начинает насыщаться. Если возникнет необходимость увеличить диапазон выходных напряжений, вместо AD5415 вы можете взять микросхему AD7541A, рассчитанную на питание от источника 15 В. Такая замена расширит полезный диапазон выходных сигналов приблизительно до 7 В.

Материалы по теме