и программируемые усилители с цифровым управлением

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

По проведению практического занятия №6

Тема занятия:

АНАЛОГОВЫЕ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ БИС ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ (УНИВЕРСАЛЬНЫЕ)

(продолжение)

Современные ЦАП

и программируемые усилители с цифровым управлением

В предыдущих курсах вас познакомили с принципами построения и основными техническими характеристиками двух типов ЦАП: ЦАП с весовыми резисторами и ЦАП с резисторной матрицей R-2R.

Если в ЦАП с матрицей R-2R используется матрица электронных ключей, выполненных на МОП-транзисторах, то подобный ЦАП может выполнять функцию перемножения переменного сигнала на цифровой код. Такой ЦАП называют умножающим. На его основе можно выполнить усилитель с программируемым коэффициентом усиления (или программируемый усилитель с цифровым управлением).

Усилители такого рода широко применяются в современной РЭА. Возникает вопрос, зачем нужны эти усилители? Дело в том, что динамический диапазон (ДД) выходного напряжения источника сигнала может значительно превышать ДД устройств, на входные зажимы которых подается этот сигнал [1].

Для согласования этих ДД (источника сигнала и конкретного устройства), чтобы избежать перегрузки последнего (например, АЦП), необходимы как раз такие усилители с программируемым коэффициентом усиления.

Рассмотрим принцип построения усилителей с цифровым управлением. Они выполняются на основе интегральных ОУ. В качестве программируемого элемента используется резисторная матрица, например, матрица типа R-2R (рис. 6.1), сопротивление которой изменяется в зависимости от цифрового кода [1, 4].

Рис. 6.1

Здесь введены следующие обозначения:

;

Расчет потенциалов в различных узлах резисторной матрицы РМ дан в [4].

Нетрудно видеть, что суммарный ток равен

Тогда сопротивление РМ

Наиболее широко в схемах усилителей с программируемым коэффициентом усиления используют умножающие ЦАП, о которых речь шла выше. К числу умножающих ЦАП принадлежит отечественная ИМС типа К572ПА1, в состав которой входят резисторная матрица R-2R, матрица КМОП-ключей с управляющим устройством и резистор с сопротивлением . На рис. 6.2 изображена схема программируемого усилителя на основе указанной ИМС.

На этом рисунке ЦАП типа К572ПА1 включен таким образом, что сопротивление резисторной матрицы находится в цепи обратной связи внешнего ОУ, а входной переменный сигнал подается на внешний вывод 16 внутреннего резистора , величина которого равна . В этой схеме переменное напряжение на входе усилителя выполняет функции опорного напряжения ЦАП, а ток в цепи ОС благодаря «виртуальному» нулю равен

Рис. 6.2

С другой стороны, , где при 10-ти разрядном цифровом коде

Несложно получить выражение для коэффициента усиления на средних частотах

Когда на все цифровые входы поступают логические единицы, т.е. при , коэффициент усиления минимален и равен

При изменении цифрового кода значение увеличивается и достигает величины , когда логическая единица содержится только в младшем разряде (), а в остальных разрядах логические нули

Другой вариант схемы программируемого усилителя с цифровым управлением в упрощенном виде представлен на рис. 6.3.

Рис. 6.3

Указание. Студентам предлагается найти расчетную формулу для

и проанализировать ее.

Следует отметить, что в первом варианте программируемого усилителя значение коэффициента усиления не определено, когда во всех разрядах цифрового кода установлены логические нули. Кроме того, при использовании некоторых типов ОУ возможно возникновение самовозбуждения схемы при определенных цифровых кодах. Для исключения этого нежелательного явления обычно рекомендуют включать между инвертирующим и неинвертирующим входами конденсатор с ёмкостью порядка 100 пФ.

Отметим, что параллельный цифровой код, который подается на программируемую резисторную матрицу, формируется, как правило, с помощью специализированного вычислителя. Такие усилители часто программируются через SPI-порт.

В настоящее время усилители с программируемым коэффициентом усиления (PGA –Programming Gain Amplifiers) выпускают несколько зарубежных компаний: Microchip, Analog Devices, National Semiconductor Corporation.

В них использованы цифровые потенциометры, т.е. резисторные матрицы с цифровым управлением на основе электронных ключей на КМОП-транзисторах [5]. Описания PGA-усилителей семейства MCP652X компании Microchip можно найти, например, в Internet с помощью поисковой системы.

Указание. Студентам следует предложить ознакомиться с макромоделью усилителя с программируемым коэффициентом усиления DIGPOTTEST, приведенной в каталоге DATA программных пакетов Micro-CAP (версии 8-10).

В заключение познакомимся с аналого-цифровой БИС ADS7872 компании Texas Instruments (рис. 6.4), которая представляет собой законченную систему сбора данных в одном кристалле.

Рис. 6.4

Она содержит:

· восьмиканальный мультиплексор;

· прецизионный усилитель с программируемым коэффициентом усиления PGA;

· АЦП (ADC) с поразрядным взвешиванием, обладающий частотой дискретизации 48000 отсчетов в секунду;

· генератор тактовых импульсов (ГТИ);

· регистры памяти;

· цифровой адаптер, на вход-выход которого поступает цифровой код, предназначенный для программирования PGA (Digital I/O);

· высокоточный источник опорного напряжения.

Основные характеристики PGA:

· восемь значений изменяемого коэффициента усиления: 1, 2, 4, 5, 8, 10, 16 или 32;

· управление через SPI-порт;

· операционный усилитель типа Rail-to-rail (с расширенным ДД по входу и выходу);

· низкая ошибка установки коэффициента усиления ;

· полоса пропускания от 5 до 25 МГц;

· низкий уровень собственных шумов: 10 нВ/Гц при 10 кГц;

· малый потребляемый ток: 1 мА;

· однополярный источник питания: от 2, 5 до 5, 0 В.

Можно назвать еще несколько примеров подобных ИМС для систем сбора данных, предназначенных для различных приложений: AD7862, ADS7864, AD7865 и др. [3]

До сих пор речь шла о принципах построения и характеристиках одноканальных АЦП/ЦАП.

Обсуждение вопросов, связанных с АЦП и ЦАП, целесообразно заключить краткой информацией о разработках весьма перспективных аналого-цифровых БИС – многоканальных АЦП/ЦАП. Так, отечественная компания ЗАО «Инструментальные системы» разрабатывает и производит модули АЦП/ЦАП, которые охватывают диапазоны частот входных и выходных аналоговых сигналов от 0 до 2000 МГц, диапазон амплитуд от микровольт до 15 В, с числом входных каналов от 1 до 32. Все базовые модули обеспечивают высокие скорости передачи данных по системным интерфейсам: от 40 Мбайт/с до 120 Мбайт/с.

В заключение следует сказать, что, приступая к обсуждению примеров аналого-цифровых БИС общего применения, мы назвали кроме рассмотренных АЦП, умножающего ЦАП и программируемых усилителей также запоминающие устройства на МОП-структурах, синтезаторы частот косвенного действия на основе аналого-цифровых ФАПЧ и аналого-цифровые ПАИС.

Студентам рекомендуется познакомиться с запоминающими устройствами и синтезаторами частот по материалам, опубликованным в [2]. Что касается аналого-цифровой ПАИС, то с ней студенты познакомились на одном из наших первых практических занятий.

Список рекомендуемой литературы

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Том 1 и 2.

-М.: Додэка, 2008.

2. Богатырев Е.А., Ларин В.Ю., Лякин А.Е. Энциклопедия электронных компонентов. Большие интегральные схемы. Том 1. 2006.

3. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств. 2-е изд., испр. М.: Издательский дом «Додэка – XXI», 2007.

4. Богатырёв Е.А., Капустян В.И. Аналого-дискретные цепи.

- М.: Издательство МЭИ, 1991.