4.2.3. Цап с внутренними источниками тока

Для повышения точности и быстродействия применяют схемы с использованием источников тока на биполярных транзисторах. Принцип построения ЦАП на внутренних источниках тока иллюстрируется схемой на рис. 4.16, а. Структура ЦАП содержит резистивный делитель типа R-2R, разрядные ключи S₀—S_N–1 и управляемые ОУ источники равных токов на транзисторах VT0—VTN.

При данном методе преобразования входной двоичный код управляет включением источников, генерирующих токи, в соответствии с их весовыми коэффициентами. Эти токи суммируются, и суммарный ток либо непосредственно используется в качестве выходного, либо преобразуется в напряжение посредством операционного усилителя. Масштабные токи формируются при помощи транзисторов и набора масштабных резисторов соответствующих номиналов.

Рис. 4.16. Упрощенная схема ЦАП на внутренних источниках тока (а) и переключатели тока на дифференциальных усилителях (б)

В большинстве преобразователей этого типа источники тока фактически все время включены, а их выходные токи коммутируются в зависимости от значения входного кода на общий провод или на выходную шину. Это обеспечивает повышенную точность, а ключи легко реализуются на биполярных или полевых транзисторах (рис. 4.16, б). В схеме ЦАП источники тока промасштабированы с помощью резисторной цепной схемы R-2R. При одинаковой плотности эмиттерных токов сами токи соотносятся как площади эмиттерных переходов транзисторов, в соответствии с цифрами на рисунке. Операционный усилитель с транзистором VT_оп формируют напряжение U_оп для смещения источников токов, задавая соответствующее значение U_БЭ. Стабильное положительное напряжение U_оп можно получить от внутреннего либо от внешнего источника. Это напряжение определяет коллекторный ток I_К=U_оп/R_оп транзистора VT_оп и, следовательно, стабильное напряжение на эмиттере относительно –U_п. Транзисторы VT0—VT_N–1, обеспечивающие необходимые двоичновзвешенные токи, получают требуемое напряжение смещения за счет того, что потенциал базы выше потенциала эмиттера на величину U_БЭ.

Рис. 4.17. Включение ЦАП в режиме преобразования однополярного напряжения

Поскольку нагрузка на источники тока, состоящая из сопротивлений открытых ключей S₀—S_N–1 сопротивлений резистивного делителя R-2R со стороны узловых цепей, не влияет на значение тока, то погрешность в формировании выходного тока I_вых как суммы разрядных значений зависит только от точности изготовления делителя R-2R.

Применение такого ЦАП в режиме преобразования однополярного напряжения (рис. 4.17) сопровождается подключением потенциометра R1, обеспечивающего регулировку масштаба. Вывод ЦАП по току подключается к инвертирующему входу ОУ с обратной связью, работающего в режиме преобразования тока в напряжение.

Для нормальной работы ЦАП необходимо, чтобы транзисторы в ключах работали либо в режиме глубокого насыщения, либо в режиме глубокой отсечки. Временная задержка, связанная с выводом транзисторов из режима насыщения, определяет верхний предел быстродействия ЦАП.

В качестве переключателей тока часто используют биполярные дифференциальные каскады, в которых транзисторы работают не в ключевом, а в активном режиме (ненасыщенные ключи). Это позволяет сократить время установления выходного сигнала до единиц наносекунд.