16-разрядные ЦАП являются фактическим стандартом в области высокоточных преобразований постоянного напряжения, но, на удивление, лишь немногие из них обладают полной 16-битной точностью (0.0015%). Даже если они описываются как «высокоточные», некоторые из них имеют погрешность и интегральную нелинейность (INL), значительно превышающие 1 LSB. Описанная здесь конструкция на основе ШИМ-ЦАП с TBH, напротив, обладает изначально присущей ей 16-битной точностью по постоянному току и интегральной линейностью, ограниченной только качеством опорного напряжения. И это достигается без каких-то особенных, дорогостоящих, высокоточных компонентов (например, нет необходимости применять резисторы с допуском 0.0015%).
На Рисунке 1 показана лежащая в основе схемы топология, корректирующая нелинейность с помощью TBH (Take Back Half, «Вернуть половину»), которая объясняется в статье «Возврат половины улучшает интегральную нелинейность ШИМ и время установления» [1].
 |
|
| Рисунок 1. | Интегральная нелинейность компенсируется топологией TBH. |
Схема на Рисунке 1 основана на двух дифференциальных соотношениях, которые эффективно вычитают (возвращают обратно) интегральную нелинейность и ослабляют пульсации.
Для частот сигнала, меньших или равных 1/TS (включая постоянное напряжение), где TS – время установления, XC >> R, и
Для частот, бóльших или равных частоте ШИМ (FPWM), XC << R и Z = XRIPPLE – YRIPPLE.
Поскольку только один коммутатор управляет узлом Y, а два параллельных управляют узлом X, INL, обусловленная нагрузкой на коммутатор в узле Y, ровно вдвое больше, чем в X.
Поэтому, поскольку Z = 2(XAVG – YAVG/2), дифференцирующая RC-цепочка на выходе А1 активно вычитает (возвращает) компонент ошибки INL, в результате чего результирующая INL имеет (теоретически) нулевое значение.
На Рисунке 2 показано, как эти элементы могут быть сложены воедино в надежной схеме 16-битного ЦАП. Вот как это работает.
 |
|
| Рисунок 2. | Принцип TBH заключается в суммировании двух 8- битных ШИМ-сигналов в одном 16-битном ЦАП с выходным напряжением, равным VREF(MSBY+LSBY/256)/256. Резисторы, отмеченные звездочкой, имеют точность 0.25%. Предполагается, что частота ШИМ (FPWM) составляет примерно 10 кГц. |
В качестве входных используются два 8-битных ШИМ-сигнала с частотой повторения порядка 10 кГц; один – для старшего байта (MSBY) результата, а другой – для младшего байта (LSBY). Сигнал MSBY подается на цепочку R2 и R3, а LSBY – на R4, R5 и R7. Отношение сопротивлений резисторов суммирующей цепи
учитывает относительную значимость сигналов ШИМ. Оно также обеспечивает истинную 16-битную (15 ppm) точность преобразования и дифференциальную нелинейность (DNL) при всего лишь 8-битной (2500 ppm) точности согласования резисторов.
Цепочка R6C3 подавляет небольшие наносекундные всплески на выходе усилителя A1, вызванные сверхбыстрыми переключениями на выходах коммутаторов U1, выходящими за пределы произведения коэффициента усиления на полосу пропускания усилителя A1, равного 10 МГц.
Конечная точность преобразования ограничена почти исключительно качеством опорного напряжения 5 В, поэтому это должен быть компонент премиум-класса. Работа источника опорного напряжения (ИОН) немного облегчается (каламбур) тем фактом, что максимальный ток, потребляемый микросхемой U1, составляет скромные 640 мкА, позволяя реализовать истинную 16-битную INL при выходных сопротивлениях ИОН до 0.11 Ом. Максимальная нагрузка на ИОН возникает при коэффициенте заполнения импульсов MSBY (D), равном 50%. При D = 0 и D = 100% нагрузка падает почти до нуля.
Амплитуда пульсаций также достигает максимума при D = 50%. На Рисунке 3 красная кривая иллюстрирует выходные пульсации и время установления ЦАП.
 |
|
| Рисунок 3. | Время установления, необходимое для достижения полной точности, составляет примерно 100 циклов ШИМ, или 10 мс при частоте FPWM = 10 кГц. |
Купить SN74AC04 на РадиоЛоцман.Цены
