Статические параметры ЦАП

В простейшем случае на входы ЦАП подается параллельный двоичный код, значения каждого разряда которого на входы поступают одновременно. Допустим, значения входного кода изменяются от минимального до максимального, при этом каждое значение входного кода преобразуется в дискретное значение выходной аналоговой величины. Дискретность изменения выходной аналоговой величины от номинального значения однозначно не зависит от числа разрядов, а определяется точностью изготовления элементов микросхем и может быть получено сколь угодно малым. Совокупность значений выходной аналоговой величины x_i в зависимости от значений входного кода a_i называют характеристикой преобразования (ХП). Такая совокупность может быть приведена в виде графика, формулы или таблицы. Рассматриваемые ЦАП имеют линейную ХП. В системе координат код – выходная аналоговая величина ХП изображается ступенчатой линией, расположенной под некоторым углом к оси абсцисс.

Когда необходимо определить некоторую точку на ХП, приводят значение кода, соответствующее этой точке. На ХП можно выделить характерные точки. Прежде всего, это начальная и конечная точки ХП, которые определяются начальным и конечным значениями входного кода. Интервал значений выходной аналоговой величины от начальной до конечной точки называют диапазоном выходной величины, а разность между максимальным и минимальным значениями этой величины – амплитудой ее изменения. Значение дискретного изменения выходной аналоговой величины при изменении значения входного кода на единицу называют ступенью квантования. В случае двоичного линейного ЦАП все ступени равны

h = (x _max– x _min)/(2 ^N –1) = U ₀/(2 ^N –1), (1.2)

где x _max, x _min – номинальное значение выходной аналоговой величины в конечной и начальной точках ХП, U ₀ – номинальная амплитуда изменения выходной аналоговой величины, N – разрядность кода.

Номинальное значение ступени квантования, представляющее наименьшее изменение выходной аналоговой величины, является разрешающей способностью преобразования. Разрешающая способность выражается в процентах от максимальной амплитуды выходной величины. Например, 12-разрядный ЦАП обладает разрешающей способностью 1/2¹²» 0,000245 = 0,0245%.

Для действительной характеристики преобразования ступени квантования в разных точках отличаются друг от друга. В этом случае подсчитывают среднее значение ступени квантования: h_ср = (x _max– x _min)/(N –1). Это значение может служить единицей измерения выходной аналоговой величины, и его называют единицей младшего разряда (ЕМР). Такая единица измерения наглядно представляет все параметры выходной аналоговой величины.

Характеристики преобразования реальных ЦАП отличаются от идеальных формой, значением ступеней и расположением относительно осей координат.

Степень совпадения реальной ХП с идеальной определяет точность,которая характеризуется рядом отклонений реальной XП от идеальной и количественно выражается соответствующими параметрами: нелинейностью, дифференциальной нелинейностью, смещением начальной точки ХП и др.

Нелинейность в данной точке ХП – это отклонение точки реальной ХП от прямой, проведенной определенным образом. Нелинейность, как правило, находится относительно прямой, проведенной через начальную и конечную точки ХП. Для ЦАП нелинейность, как правило, определяется нелинейностью в точке ХП, где она по абсолютной величине максимальна. Нелинейность выражается в долях ЕМР или в процентах от значения аналоговой величины в конечной точке ХП:

d _L = (D x / h) [ЕМР] или (D x / x_k)×100%,

где D x – максимальное отклонение ХП от заданной прямой; x_k – значение аналоговой величины в конечной точке ХП.

Дифференциальная нелинейность – это отклонение действительных ступеней квантования от их среднего значения. Дифференциальная нелинейность i -й ступени квантования

d _LD = [(h_ср – h)/ h_ср ] [ЕМР] или [(h_ср – h)/ x_k ]×100%,

Для ЦАП указывается значение дифференциальной нелинейности той точки характеристики, где это значение по абсолютной величине максимально.

Под монотонностью ЦАП понимается неизменность знака приращения выходной величины при последовательном изменении значения входного кода.

Возможно также отклонение ХП от номинальной в виде параллельного сдвига. Параллельный сдвиг характеристики оценивают относительно начала координат и называют напряжением смещения нуля выходной аналоговой величины. Это действительное значение выходной величины при значении входного кода, при котором номинальная выходная величина равна нулю. Отклонение ХП ЦАП из-за напряжения смещения нуля и отклонения коэффициента преобразования в радиоэлектронной аппаратуре для большинства ИС ЦАП может быть устранено внешними регулирующими устройствами.

Приведенные выше параметры характеризуют точность ЦАП в определенных неизменных условиях эксплуатации. Для описания поведения ЦАП в условиях переменных внешних воздействующих факторов используют параметры, характеризующие стабильность интегральных схем в этих условиях. К ним относятся температурные коэффициенты параметров и коэффициенты влияния нестабильности источников напряжения на параметры. В основном применяются температурные коэффициенты следующих параметров: нелинейности, дифференциальной нелинейности, выходной аналоговой величины в конечной точке ХП, напряжения смещения нуля на выходе, коэффициента преобразования. Используются также коэффициенты влияния нестабильности источников питания на перечисленные параметры.

Допустимое напряжение на выходе – это интервал значений напряжения, в пределах которого изменение выходного тока не превышает заданного значения. Аналогично ЦАП с выходом по напряжению могут характеризоваться допустимым диапазоном тока на выходе.