Решение проблем с помощью умножающего цифро-аналогового преобразователя

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2018

Thomas Tzscheetzsch, Analog Devices

Analog Dialogue

Вопрос:

Как можно использовать умножающий ЦАП не по прямому назначению?

Ответ:

Большинство цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) работает с фиксированным положительным опорным напряжением и выходным напряжением или током, пропорциональным произведению опорного напряжения на установленный цифровой код. С так называемыми умножающими цифро-аналоговыми преобразователями (УЦАП) это не так. Их опорное напряжение может меняться, часто в диапазоне ±10 В. На напряжение аналогового выхода можно влиять как опорным напряжением, так и цифровым кодом, – в обоих случаях, динамически.

Приложения

При соответствующем подключении такой ЦАП может усилить, ослабить или инвертировать сигнал относительно опорного напряжения. Это дает возможность использовать УЦАП в генераторах сигналов, программируемых фильтрах и усилителях с программируемым коэффициентом усиления, а также во многих других приложениях, где требуется регулировать смещение или усиление.

На Рисунке 1 показан УЦАП с усилителем на выходе, который, в зависимости от входного кода ЦАП, может усиливать или ослаблять сигнал.

Рисунок 1.	Схема с программируемым коэффициентом усиления.

Расчет схемы

Выходное напряжение схемы V_OUT рассчитывается по следующей формуле:

где G – коэффициент усиления схемы.

Помимо коэффициента усиления и установленного на входе ЦАП цифрового кода D, выходное напряжение ограничено напряжением питания операционного усилителя. В представленном примере выходное напряжение усилителя ADA4637-1, питающегося от источника ±15 В, не должно выходить за границы ±12 В, чтобы оставить достаточный диапазон регулирования. Усиление G определяется сопротивлениями резисторов R₂ и R₃:

Все резисторы (от R₁ до R₃) должны иметь одинаковые температурные коэффициенты сопротивления, которые, однако, не обязательно должны быть такими же, как у внутренних резисторов ЦАП. Резистор R₁ служит для согласования сопротивления внутреннего резистора ЦАП (R_FB) с внешними резисторами R₂ и R₃ в соответствии со следующими соотношениями:

Сопротивления резисторов должны выбираться такими, чтобы операционный усилитель оставался в рабочем диапазоне при максимальном входном напряжении. (ЦАП может работать с опорными напряжениями ±10 В). Следует также отметить, что входной ток операционного усилителя умножается на сопротивление (R_FB + R₂ ‖ R₃), что оказывает значительное влияние на напряжение смещения. По этой причине был выбран операционный усилитель ADA4637-1 с очень низкими входными токами и очень низким напряжением смещения. Для исключения неустойчивости системы с замкнутой петлей обратной связи, проявляющейся в так называемом «звоне», между выводами I_OUT1 и R_FB микросхемы включен конденсатор 4.7 пФ. Это особенно важно при использовании быстрых усилителей.

Как уже было сказано, напряжение смещения усилителя умножается на коэффициент усиления с замкнутой обратной связью. Когда усиление, установленное внешними резисторами, меняется с каждым приращением кода ЦАП, это произведение добавляется к требуемому значению, порождая ошибку дифференциальной  нелинейности. Если ошибка достаточно велика, она может привести к немонотонному поведению ЦАП. Для исключения этого эффекта необходимо выбирать усилитель с низким напряжением смещения и низкими входными токами.

Преимущества перед другими схемами

В принципе, в подобной схеме могут использоваться и стандартные ЦАП, если они имеют внешний вход опорного напряжения, но между ними и УЦАП есть ряд существенных отличий. Стандартные ЦАП могут работать только с однополярными напряжениями с ограниченными амплитудами на опорном входе. Помимо амплитуды, у них очень ограничена полоса пропускания входа опорного напряжения. Полоса пропускания в умножающем включении указывается в справочных данных. Для 16-битного ЦАП AD5664, например, она составляет 340 кГц. Умножающие ЦАП способны работать с двуполярными напряжениями, которые, к тому же, могут быть выше напряжения на опорном входе. Полоса пропускания у них также намного выше; типовое значение для AD5453 равно 12 МГц.

Заключение

Умножающие цифро-аналоговые преобразователи не так широко распространены, однако они предоставляют множество возможностей. Помимо «самодельных» широкополосных усилителей с программируемым усилением, они, благодаря низкому потреблению мощности менее 50 мкВт, также очень хорошо подходят для мобильных приложений.

Материалы по теме