2014-02-02
1805
ЦАП
Максимальное время установления ЦАП определяется процессом установления при переключении старшего разряда – этот скачек напряжения самый большой на выходе ЦАП. Линейность АЦП также определяется линейностью ЦАП. При разрешении АЦП 12 и более разрядов линейность обеспечивается применением подгонки и/или калибровки, поскольку полупроводниковая технология не может обеспечить требуемый технологический разброс параметров компонентов. Хота это зависит от конкретных технологий и разработок согласование параметров компонентов ограничивает линейность АЦП на уровне 12 разрядов. Многие АЦП последовательного приближения используют конденсаторный ЦАП, который также выполняет функцию выборки/хранения входного сигнала. Конденсаторные ЦАП основаны на принципе перераспределения заряда и превалируют в современных АЦП.
Рис.3.3.3
Конденсаторные ЦАП содержат матрицу конденсаторов с двоичновзвешенными величинами плюс дополнительный конденсатор LSB. На рис.3.3.3 приведен пример 16-разрядного ЦАП, подключенного к компаратору. В течение фазы выборки общий вывод матрицы конденсаторов подключен к земле, а вторые (свободные) выводы конденсаторов соединены с источником сигнала Vin. После окончания выборки общий вывод отключается от земли, а вторые выводы от входа, эффективно сохраняя заряд, пропорциональный входному напряжению на конденсаторах. Вторые выводы затем соединяются с землей, создавая на общем выводе конденсаторной матрицы потенциал -Vin.
|
|
|
На первом такте двоичного выбора свободный вывод MSB-конденсатора (с максимальным весом) отключается от земли и подключается к источнику опорного напряжения Vref, смещая общий вывод матрицы на напряжение, равное половине опорного Vref/2. Например, если Vin= 3Vref/4, то подключение свободного вывода MSB-конденсатора к источнику опорного напряжения Vref, а остальных конденсаторов к земле, установит на общем выводе конденсаторов потенциал, равный (-3Vref/4+Vref/2)=-Vref/4. Когда это напряжение сравнивается компаратором с потенциалом земли, выход компаратора устанавливается в состояние «1», сигнализируя, что входное напряжение больше половины опорного. Напротив, если Vin= Vref/4, то подключение свободного вывода MSB-конденсатора к источнику опорного напряжения Vref, а остальных конденсаторов к земле, установит на общем выводе конденсаторов потенциал, равный (-Vref/4+Vref/2)=Vref/4, и выход компаратора устанавливается в состояние «0», сигнализируя, что входное напряжение меньше половины опорного. В зависимости от и записанного в MSB регистра состояния выхода компаратора MSB-конденсатор остается подключенным к источнику опорного напряжения Vref («1»), или подключается к земле («0»). Затем следующий конденсатор отключается от земли и подключается к источнику опорного напряжения Vref и компаратор определяет значение следующего бита и т.д., пока не будут определены все биты.
|
|
|
В идеальном ЦАП каждый конденсатор в конденсаторной матрице должен быть точно в два раза больше конденсатора, связанного с соседним, меньшим по весу битом. В многоразрядных АЦП (например, 16 бит) это приводит к слишком широкому диапазону величин конденсаторов, который невозможно реализовать экономически приемлемым способом. 16-разрядные АЦП (например, в МАХ195) используют конденсаторную матрицу, которая в действительности состоит из двух матриц – старшей и младшей, связанных между собой емкостной связью с целью уменьшения эффективной величины младшей матрицы. Конденсаторы в старшей матрице подгоняются при производстве для уменьшения разброса. Малые разбросы величин конденсаторов в младшей матрице оказывают незначительное влияние на 16-разрядный результат. К сожалению одной подгонкой не обеспечить 16-разрядное качество и не скомпенсировать его понижение под воздействием изменения температуры, питающего напряжения и других параметров. По этим причинам МАХ195 содержит калибровочные ЦАП для каждого из конденсаторов старшей матрицы. Эти ЦАП связаны емкостной связью с выходом главного ЦАП и смещают выход главного ЦАП в соответствии с управляющими ими кодами.
В течение калибровки определяются и сохраняются поправочные коды для каждого из конденсаторов старшей матрицы. Поправочный код подается на соответствующий поправочный ЦАП, когда соответствующий бит главного ЦАП находится в состоянии «1», компенсируя отклонение величины соответствующего конденсатора. Калибровка обычно инициируется пользователем или выполняется автоматически при включении питания. Чтобы снизить влияние шумов каждое калибровочное измерение повторяется много раз (около 14000 раз в МАХ195) и результаты измерений усредняются. Калибровку высокоточных АЦП необходимо повторять всякий раз, когда происходят значительные изменения напряжения питания, температуры, опорного напряжения или тактовой частоты, поскольку эти параметры влияют на смещение ЦАП. Если важна только линейность характеристики, то могут быть допущены без перекалибровки значительно большие изменения этих параметров. Поскольку калибровочные данные сохраняются в цифровой форме и нет необходимости повторять калибровку для сохранения точности.
