книги / Применение аналоговых микросхем

8.3. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ ЦИФРО-АНАЛОГОВЫХ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Большинство БИС ЦАП и АЦП требуют подключения дополнительных внешних электронных узлов, обеспечивающих их работу с предельной точностью и быст­ родействием. Такими узлами обычно являются УВХ и источники опорного (эталонного) напряжения.

8.3.1.УСТРОЙСТВА ВЫБОРКИ-ХРАНЕНИЯ

Ваналоговой технике элементами памяти являются УВХ. Функция памяти состоит в запоминании на конденсаторе в тече­ ние некоторого времени мгновенного значения входного напря­ жения. В режиме выборки УВХ повторяет входной сигнал, а за­ тем по команде запоминает мгновенное значение напряжения на конденсаторе и переходит в режим хранения.

Ниже проанализированы основные схемы аналоговых запоми­ нающих устройств на ОУ, а также методы улучшения их точно­

сти и быстродействия. Как правило, быстродействие и точность в этих устройствах имеют противоположный характер зависимо­ сти от емкости запоминающего конденсатор.а: с одной стороны, меньшую емкость можно быстрее зарядить, а с другой — на боль­ шой емкости можно с большой точностью хранить напряжение.

Каждая из известных схем УВХ представляет определенный компромисс между точностью и быстродействием, отражающий степень совершенства самой структуры УВХ и правильности вы­ бора параметров и режимов работы его элементов. Для опреде­ ления иаилучшей (при выдвинутых требованиях и реальных огра­ ничениях) структуры необходимо знать предельные возможности каждой, что требует установления оптимальных параметров ее элементов.

Обобщенной характеристикой точности и быстродействия УВХ является пропускная способность Си определяемая количе­ ством информации о входном сообщении, передаваемом на выход УВХ за единицу времени (см. § 8.5) :

ного сигнала с погрешностью ô.

В режиме выборки разница между входным и выходным на­ пряжениями УВХ определяется степенью иеидеальности МДПтранзистора и ОУ. В режиме хранения напряжение на запомина­ ющем конденсаторе С3 изменяется из-за протекания токов утечек ключа и конденсатора, а также входных токов ОУ.

а) б)

Рис. 8.9. Устройства выборки-хранения с уменьшенными током утечки МДП-тран* зистора (а) и коммутационной помехой (б)

минимален. В результате конденсатор разряжается только не­ большим током утечки перехода затвор — исток транзистора VT2 и входным током ОУ. Уменьшая емкость С3, можно уменьшить и время выборки УВХ. Однако в этом случае обратно пропорцио­ нально С3 будет увеличиваться коммутационная ошибка.

Составляющая ошибки выборки, обусловленная передачей

большом изменении входного напряжения на стоке не может быть полностью скомпенсирована ни регулировкой напряжения сме­ щения нуля ОУ, ни подачей на конденсатор компенсирующего сигнала. Это объясняется тем, что емкости Сзс и С зависят от уровня входного сигнала (при изменении t/3î от —10 до -р 10 В емкость Сзс+Сз„ изменяется в 2 ...3 раза). Эту зависимость можно устранить (и, следовательно, скомпенсировать за одну регулировку напряжения смещения нуля), формируя постоянный управляющий сигнал относительно уровня коммутируемого вход­ ного напряжения (рис. 8.9,6). Выборка происходит при разомкну­ том транзисторе VT2 (UynР> 0 ). В этом случае открывается ста­ билитрон VD, напряжение на затворе VT1 становится меньше на величину £/Ст напряжения на стоке, a VT1 открывается и на кон­ денсаторе С3 устанавливается напряжение £/вг. Когда транзистор

зависит от Uuxt поэтому часть управляющего сигнала, поступаю­ щего на С3| постоянна и может быть скомпенсирована одной ре­ гулировкой напряжения смещения нуля ОУ для любого Uвх. Дополнительное преимущество схемы в том, что у транзистора VT1 в режиме храпения U3C= 0 и, следовательно, ток утечки перехода затвор — сток минимален.

Хорошую совокупность точности, быстродействия и потребляе­ мой мощности в УВХ можно получить, используя возможность управления режимом работы программируемого ОУ К140УД12

Рис. 8.10. Устройство выборки-хранения на программируемом ОУ

(рис. 8.10). Программирование осуществляется переключаемым генератором тока /у, выполненным на базе биполярных транзис­

минимален входной ток ОУ, разряжающий конденсатор С3. Когда

рость нарастания выходного напряжения ОУ становится равной 10... 15 В/мкс и время выборки минимально. Для указанных на

Двухкаскадные УВХ и оптимизация их параметров. Недостат­ ком рассмотренных УВХ является влияние на их параметры ис­ точника сигнала или нагрузки. Простое подключение буферных каскадов на ОУ ко входу или выходу этих УВХ увеличивает их погрешности. Поэтому применяют УВХ на двух ОУ с общей отри­ цательной ОС, благодаря чему устраняются статические ошибки, обусловленные вторым ОУ. Источники погрешности в таких УВХ те же, что и в однокаскадных, однако методы уменьшения этих' погрешностей отличаются от рассмотренных.

В УВХ на рис. 8.11 МДП-транзистор VT1, включенный между усилителями А1 и А2, управляет режимом работы УВХ (выбор­

ошибкой бд, которая включает ошибку недозаряда бн запоминаю­ щего конденсатора С3 (при ограничении времени выборки) и ошибку управления Ôy, возникающую в момент перехода к хра­ нению. Последняя обусловлена передачей части перепада напря­

°) б) в)

Рис. 8.11. Устройство выборки-хранения на повторителях (а), с повторителем (б) •и интегратором (а) в цепи общей ОС

где AUy — перепад управляющего напряжения на затворе; ДС/В—диапазон изме­ нения обрабатываемого сигнала; AUor— часть перепада управляющего напря­

жения, соответствующая замкнутому состоянию ключа при заданном напряже­ нии Uот на затворе в режиме выборки, пороговом напряжении U0 прибора и уровне UK коммутируемого ключом сигнала (ДС/0т= \0От—U0—UK\; Сзс —по­

стоянная емкость между затвором и стоком, обусловленная перекрытием метал­ лом затвора области стока (при необходимости следует учитывать емкость Св= =0,2 0,5 пФ между соседними выводами микросхемы); Сзс—-емкость зат­ вор— сток, представляющая сосредоточнный эквивалент распределенной емко­ сти затвора над проводящим каналом, отнесенной к стоку (у закрытого прибо­ ра С3 с^О) ; 1] — коэффициент, учитывающий увеличение погрешности ôy из-за передачи части коммутационной помехи со входа МДП-ключа на его выход

~Д£/В. Наличие зависимости A U 0T = f ( U K) и, следовательно, ôy=f(C/K) не позво­

ляет осуществить в этих схемах достаточно полную компенсацию ошибки Ôy известными методами, если AUK> 5 В. В последней схеме AUK<&Un, и ошибку

ôy можно скомпенсировать примерно на 30%.

Поскольку AUorZ&AUy при уровне коммутируемого сигнала, соответствую­

щем максимальному значению ошибки бу, то, домножив числитель н знамена­ тель выражения для Ду на сопротивление замкнутого МДП-ключа, получим

около верхней границы этого диапазона, а для последней — около нижней (при­ чины этого различия будут ясны после рассмотрения особенностей работы схем); тУк=г(Сзс+£эс); Тв=гС3. У МДП-транзисторов с разными геометриче­

скими размерами канала, но изготовленными по одной технологии при стандарт­ ных конструктивных допусках, произведения тУк=г(С3 c-j-£3 с) примерно равны, если С9 с+ £ зс>(3 4)СВ, и составляют (при Д£/ог=20 В) для стандартной р-канальной технологии 0,30 нс, для стандартной /z-канальной технологии с ис­ пользованием двойной диффузии 0,03 нс. Применение того или другого метода компенсации ошибки ôy можно трактовать как уменьшение емкости Сзс+£зс и,

S)

следовательно, постоянной времени тук. Поэтому последующие формулы спра­ ведливы и в этом случае.

За время выборки U УВХ работает в нелинейном режиме в течение време­ ни iн нарастания выходного напряжения до уровня, соответствующего линейно­ му режиму работы его усилителей, а затем в течение ty выходное напряжение

ходного сопротивления Al, и усилитель A i переходит в нелинейный режим ра­ боты. В течение времени U напряжение на конденсаторе С3 с постоянной ско­ ростью UBU/RbC3 (£/вм — максимальная амплитуда выходного напряжения Ai) нарастает на величину ДС/В— —Uto, при которой А1 переходит в линейный режим работы. Необходимое для этого изменение напряжения Ur на величину AUn—Uro достигается за время *н1 =#в2 С3Д^в/[17вм(#в-|-г)].

В линейном режиме работы A i напряжение на конденсаторе С3 изменяется

в соответствии с выражением, получаемым непосредственно из эквивалентной

ражение имеет вид, характерный для колебательного звена с декрементом зату­ хания

Минимальное время установления достигается, когда второй полюс АЧХ такого звена появляется через две октавы после первого. В этом случае £^1^2, а время установления минимально и равно

C „= -log Ô/[2TB(In (7*в/2б (Тв- Т вм))-f0,25],

где ТВм;='Путук/б. Конечная скорость нарастания выходного напряжения А2 не увеличивает время tDi, если 1М2 >Д£/в//ш (рис. 8 .1 2 ,6 ),

Из выражения (8.5) следует, что /вг->-оо, а Cfi-Я) при Тъ-+оо и ТВ->ТВЫ. Следовательно, существует оптимальное значение TBOt при котором быстродей­

ствие максимально для заданного значения ошибки б и параметров МДП-клю- ча, это значение определяется соотношением ТВ0 ^1,1Гяи. Следовательно, макси­ мальная пропускная способность рассматриваемой структуры

Оптимальная величина С30, при которой достигается Спшах, определяется из равенства Гво = 1,17,вм и равна С30= 1ДтГУ(Сзс+£эс)/0>С3 min, где Сзтш — мини­ мальное значение емкости С3, обеспечивающее требуемую точность в режиме хранения.

Таким образом достигается максимальная пропускная способность УВХ на двух повторителях, определяемая выражением (8.7), если выполнены три усло­ вия, связывающие параметры элементов УВХ:

Общеизвестным недостатком рассмотренной выше схемы является суммиро­ вание статических ошибок усилителей А1 и А2. В схеме на рис. 8.11,6 состав­ ляющая статической ошибки, обусловленная А2, приводится ко входу УВХ, уменьшенной ь К'ц раз ( Кц —коэффициент усиления AÎ). Эта особенность схем с общей ОС позволяет использовать в качестве А2 каскад со сравнительно большим (t/cM^lO мВ) напряжением смещения нуля и малым усилением KUit

но благодаря этому быстродействующий (например, простейший каскад с общим истоком, а не ОУ). Поэтому, оценивая предельные возможности этой схемы, вначале пренебрежем влиянием А2 на ее характеристики, а затем оценим не­

обходимые параметры А2 для достижения предельной пропускной способности. Эквивалентная схема и эпюры переходных процессов в режиме выборки по­ казаны на рис. 8.13. Использование общей ОС накладывает дополнительное ограничение на максимально допустимое значение Тв (и, следовательно, мини­

мально достижимое значение бу), определяемое из условий устойчивости УВХ

Рис. 8.13. Эквива­

цепи обратной связи

напряжение Ur нарастает с постоянной скоростью UaM/(RnC3), определяемой

попадает в нелинейный режим работы, но уже при другой полярности диффе­

здесь к самовозбуждению УВХ из-за действия общей ОС, а не к увеличению колебательности переходного процесса.

Учитывая, что и для рассматриваемой схемы время выборки минимально при Т*ъ1,1Твм и, следовательно, определена нижняя граница оптимального зна­

достигается минимальное время выборки УВХ с повторителем в цепи общей ОС, равное

где а = и ь/ и л.

Максимально достижимое значение пропускной способности получаем, пред­

схемы УВХ может быть достигнута только при использовании ОУ со сравни­ тельно небольшой полосой пропускания Шть но обладающего высокой скоростью нарастания vA\ выходного напряжения. Этим требованиям удовлетворяет ОУ

нию /у2, чем уменьшение *н2. В то же время К154УД1 имеет £/л^50 мВ и, следовательно, является оптимальным для структуры на рис. 8.11,6.

Выражение (8.14) получено при условии Ub-\-Uro<Ubw. Если последнее на­ рушается, то, во-первых, насыщаются транзисторы в выходных каскадах ОУ и, во вторых, уменьшается ток заряда в нелинейном режиме работы А1. В резуль­ тате этого пропускная способность С*2 рассматриваемой схемы УВХ может стать значительно меньше Си схемы УВХ на рис. 8.11,а. Более того «насыще­ ние» выходных каскадов ОУ увеличивает фазовый сдвиг входного снгнала, и

Рис. 8.14. Экви­ валентная схема

(а) и эпюры пе­ реходных про­ цессов (б) в УВХ с интегра­ тором в цепи обратной связи

в цепи общей ОС часто ограничивают + 5 В, что является их существенным не­ достатком. Второй недостаток — необходимость использования двух МДП-тран-

тельно низкая точность (ô=10-2) выборки может быть получена лишь за время больше 1 мкс.

Для анализа быстродействия УВХ с интегратором в цепи общей ОС (см. рнс. 8.11,в) использовалась эквивалентная схема и эпюры переходных процессов на рис. 8.14. Из рис. 8.14,а видно, что эта схема УВХ совпадает с традиционной схемой ОУ. Отличие состоит лишь в использовании МДП-транзистора, разде­ ляющего каскады А1 и А2. Конденсатор С3 выполняет здесь двойную функ­ цию: запоминание уровня сигнала и формирование АЧХ. Последняя функция за* ключается в коррекции АЧХ так, чтобы второй полюс (обусловленный одним из усилителей A i, А2) появился на частоте для достижения минимального времени установления.

Механизм коррекции основан на увеличении емкости С3, приведенной ко