Указания по оформлению отчёта

В.П. ЗОЛОТОВ

В.С. СЕМЁНОВ

А.В. ЧУВАКОВ

ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА

Лабораторный практикум

Самара

Самарский государственный технический университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра «Вычислительная техника»

 

В.П. ЗОЛОТОВ

В.С. СЕМЁНОВ

А.В. ЧУВАКОВ

 

 

ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА

 

Лабораторный практикум

 

Самара

Самарский государственный технический университет

Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ

УДК 681.325

С 30

 

Золотов В.П.

С 30 Периферийные устройства: лабораторный практикум / В.П. Золотов, В.С. Семёнов, А.В. Чуваков. – Самара: Самар. гос. техн. ун–т, 2010. – 67 с.: ил.

 

Рассмотрены вопросы построения основных аналоговых устройств периферийной техники – цифроаналоговых преобразователей, аналоговых мультиплексоров, аналого-цифровых преобразователей. Изложена методика выполнения лабораторных работ, приведены контрольные вопросы для оценки качества усвоения материала студентами. В последней работе повышенной трудности перед студентами ставится задача самостоятельной разработки принципиальной схемы двухтактного интегрирующего АЦП, проведения её настройки и исследования.

Практикум предназначен для студентов, обучающихся по специальности 230101 «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» (всех форм обучения), и студентов ряда других специальностей, ориентированных на углубленное знание курса электроники, аналоговой техники.

 

Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Н. Митрошин

 

 

УДК 681.325

С 30

 

 

Ó В.П. Золотов, В.С. Семёнов,

А.В. Чуваков, 2010

Ó Самарский государственный

технический университет, 2010

Введение

Современные темпы компьютеризации всех сторон человеческой деятельности привели к тому, что компьютеры стали сегодня непременной компонентой самых разных технических комплексов. Это касается и систем автоматического и автоматизированного управления, систем сбора данных, современных информационно-измерительных систем и так далее, то есть любых комплексов, задачей которых является получение, передача и обработка информации.

В этих компьютерных системах, как правило, наблюдаются два потока сигналов: сигналы, идущие от периферии в центр (информационные сигналы), и сигналы, идущие из центра к периферийным устройствам (управляющие сигналы). Значительная часть информации представляется в непрерывной форме, и её обработка может выполняться цифровыми или аналоговыми методами. Преимущества цифровых методов – принципиальная возможность исключения инструментальной погрешности при вычислениях и оперативного изменения алгоритмов обработки информации. Кроме того, стоимость цифровых узлов ниже стоимости аналоговых, а при интегральном исполнении степень интеграции цифровых узлов выше, чем аналоговых. Возможность обработки непрерывных сигналов цифровыми методами обеспечивается уровнем техники аналого-цифрового (АЦ) и цифроаналогового (ЦА) преобразования. Поэтому в развитии систем с представлением входной и выходной информации в непрерывной форме сохраняется тенденция к использованию структур с линейным АЦ-преобразованием мгновенных значений входных сигналов и обработкой полученных данных в цифровой форме. Выходные непрерывные сигналы в комплексах формируются в результате линейного ЦА-преобразования вычисленных значений выходных переменных.

По существу АЦ– и ЦА-преобразователи являются периферийными устройствами компьютерных систем. Их разработка и производство представляют собой бурно развивающееся направление цифровой микроэлектроники.

Лабораторная работа № 1.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОАНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Целями работы являются: ознакомление студентов с теорией работы цифроаналоговых преобразователей ЦАП, изучение схем их построения, исследование метрологических характеристик преобразователя.

Краткая теория

Информация, которая поступает из реального мира, должна быть преобразована в форму, допускающую её обработку в ЭВМ. При использовании средств вычислительной техники для управления технологическим процессом исходные неэлектри­чес­кие величины контролируемых параметров техпроцесса с помощью датчиков преобразу­ют­­ся в аналоговые электрические сигналы, параметры которых нормализуются соответствующими формирователями. Далее реализуются преобразования электрических сигналов (чаще всего напряжения постоянного тока) в цифровую форму с помощью аналого-циф­ровых преобразователей АЦП и обработка информации в ЭВМ. Целью обработки является нахождение для текущих значений входных параметров техпроцесса по её математической модели той совокупности величин управляющих воздействий, которые следует ввести в технологический процесс для обеспечения нужного его качества. Вы­ходные управляющие сиг­на­лы с ЭВМ, представляе­мые в цифровом виде, зачастую дол­жны быть пере­ведены в аналоговую форму с помощью цифроанало­говых преобразователей ЦАП для воздействия на регулирующие элементы технологического процесса. Тем самым реализуется обратная связь, являющаяся необходимым элементом в управлении любым объектом. Преобразователи АЦП, ЦАП находят широкое применение во многих областях техники (радиолокация, телевидение, связь и т.д.) [1, 2, 3, 4, 5].

На рис. 1.1 представлена типичная структурная схема n –раз­рядного ЦАП. Он содержит регистр из n триггеров, в котором находится n -разрядное двоичное число, подлежащее преобразованию в соот­ветствующее аналоговое напряжение. Каждый триггер управляет работой тран­зис­торного ключа, связанного с определённым резистором соответствующего разряда в резисторной матрице. Прецизионный источник опорного напряжения U_оп, подклю­чён­ный к резисторной матрице, задаёт диапазон изменения выходного напряжения ЦАП. Выходной операционный усилитель ОУ выполняет функцию сумматора, обес­печивая сложение токов при реализации той или иной комбинации включения ключей. Для простых ЦАП общего назначения все эти компоненты объединяют в одной интегральной микросхеме. ЦАП с высокими техническими ха­рак­теристиками, обладающие высоким разрешением и высоким быс­тродействием, изготавливаются по гиб­рид­ной технологии.

 

Рис. 1.1. Структурная схема ЦАП

 

На рис. 1.2 показана ба­зо­вая структурная схема 4-разрядного ЦАП (так называемая схема на взвешенных резисторах). Четыре би­та, фиксируемые в регистре, управляют состоянием четы­рёх ключей и обеспечивают 16 различных комбинаций. ОУ включён по схеме сумма­­­­­­­­­­тора. При замыкании одного из ключей выходное напряжение ЦАП определя­ется произведением опорно­го напряжения U_оп на от­но­ше­ние сопротивлений резис­тора обратной связи ОУ к резистору матрицы, находящемуся в цепи данного ключа. Если, например, замкнут ключ, соответствующий старшему значащему разряду СЗР регистра (при установке в триггере этого разряда логической 1), то выходное напряжение U_вых= – (R/2R)U_оп = –U_оп / 2. При ус­­тановке уровня сигнала 1 в разряде 1 получим U_вых = –(R/8R) U_оп = –U_оп / 8. Замыкание каждого следующего ключа (в направлении уве­ли­че­ния веса разрядов) вызывает прирост выходного напряжения, вдвое превышающий результат замыкания предыдущего ключа. При замы­ка­нии нескольких ключей результирующее выходное напряжение опреде­ляется суммой вкладов от каждого замкнутого ключа. Например, при ус­­тановке логической 1 в разрядах 3 и 1 получаем выходное нап­ря­жение U_вых= –(U_оп / 2 + U_оп / 8). Таким образом, можно получить 16 раз­личных дискретных уровней выходного напряжения, соответствующих 16 различным двоичным комбинациям на входе ЦАП. Соотношения сопротивлений резисторов должны быть выдержаны с высокой точ­ностью для обеспечения необходимой линейности преобразования вход­ного кода в выходное напряжение.

 

Рис. 1.2. Базовая структурная схема ЦАП

 

Конструирование такого ЦАП на одном кристалле вызывает определённые трудности. Это объясняется слишком большим диапа­зо­ном величин сопротивлений вхо­дящих в него резисторов. В рассматриваемом 4-разрядном ЦАП сопротивление резистора в цепи младшего значащего разряда МЗР должно быть в 16 раз больше сопротивления ре­зис­тора обратной связи. В об­щем случае для n –разрядного преобразователя нужны n +1 резистор, а сопро­тив­ление ре­зис­тора в цепи МЗР должно быть в 2 ⁿ раз больше соп­ро­тивления резистора обратной связи. Реальное значение R, которое можно получить для резистора в рамках интегральной микросхемы, составляет 5-10 КОм. А в 8-разрядном ЦАП требуется 9 резисторов с сопротивлением от 5 КОм до 1.28 МОм (256 × 5 кОм), в то время как в 12-разрядном – 13 резисторов с нереальным диапазоном сопро­тивлений вплоть до 20.48 МОм.

Такие значения сопро­тив­ле­ний недостижимы в интег­раль­ной тех­нологии. В то же время возможности ин­тег­ральной тех­­нологии реали­зуются наи­луч­шим образом при повторе­нии на одном кристалле одной и той же струк­туры. На основании этого желательно построение преобразователя с малыми и оди­наковыми сопротивлениями резисторов.

 

Рис. 1.3. Схема ЦАП на основе R-2R резисторной матрицы

 

На рис. 1.3 по­ка­зана прин­ци­пиальная схема ЦАП, по своим функциональным характеристикам эк­вивалентная схеме на рис. 1.2, но в ней

используются резисторы только двух номиналов – R и 2 R. Для доказательства возможности ис­пользования такой резисторной матрицы в схеме ЦАП рассмотрим величины токов в параллельных ветвях к суммирующей точке ОУ.

Потенциалы средней точки переключателей S₀,…S₃ вне зависимости от положения подвижного элемента (верхнее или нижнее) остаются одинаковыми и равными потенциалу земли, так как в нижнем положении они подключаются к клемме “земля”, а в верхнем положении они подключаются к суммирующей точке операционного усилителя ОУ, потенциал которой по условиям работы ОУ близок к потенциалу земли. Отсюда следует, что переключения S_i не вызывают изменения картины токов в резисторной матрице R-2R.

Рассмотрим картину токов в нижнем плече матрицы – точка a ₀. К ней подключены два резистора с одинаковым номиналом 2R, то есть токи I₀ и I₀’ равны. Общее же сопротивление этих двух параллельно включенных резисторов R_0об = (2R*2R)/(2R+2R) = R.

По закону Кирхгофа ток I₁ = I₀ + I₀’ = 2I₀’. Сопротивление вертикального участка цепи между точкой а ₁ и землёй равняется R₁ = R + R_0об = R + R = 2R, то есть равно сопротивлению горизонтального участка от этой же точки. Следовательно, протекающие по ним токи также равны: I₁ = I₁’. Так как I₁ = 2I₀’, и I₁’ = 2I₀’. Общее же сопротивление резисторов, подключенных к точке а ₁, по отношению к земле R_1об = (R₁*2R)/(R₁+2R) = (2R*2R)/(2R+2R) = R.

Рассуждая аналогично по отношению к точкам а ₂, а ₃, придём к соотношениям: I₂’ = 2I₁’ = 4I₀’, I₃’ = 2I₂’ = 8I₀’. Отсюда следует, что отношения вели­чи­н токов в соседних параллельных ветвях матрицы кратны двум; их соотношения соответствуют коэффициентам 8-4-2-1, как это имеет место в схеме, показанной на рис. 1.2. Поэтому схема на рис. 1.3 реализует преобразование цифры в аналог по двоичной системе счисления.

Матрица R-2R содержит почти в два раза больше резисторов, но сопротивления их относительно малы – обычно 5-10 КОм, они требуют сравнительно небольшого участка полезной площади кристалла и могут быть изготовлены с хорошо согласованными значениями сопро­тив­ле­ний. Поэтому все ЦАП строятся на резисторной матрице R-2R.

ЦАП обеспечивает преобразование исходного двоичного кода в выходное напряжение в соответствии со следующим выражением:

, (1.1)

где а_i – двоичная цифра i -разряда (0 или 1) в представлении двоичного кода исходного числа.

Основными системными параметрами для ЦАП являются:

– число двоичных разрядов, обычно 8 – 12;

– диапазон выходных сигналов, чаще всего 0 – 1 В или 0 – 10 В;

– время преобразования – быстродействие – в диапазоне 0.05 мкс – 100 мс;

– точность преобразования, оцениваемая в несколько единиц младшего значащего разряда;

– электрические, температурные и габаритные характеристики.

Точность преобразования включает в себя погрешности номиналов сопротивлений резисторной матрицы и цепи обратной связи сумматора, временной и температурной нестабильности элементов схемы и т.п. Эти погрешности проявляются в виде смещения нуля передаточной характеристики, изменения коэффициента передачи. Обычно точность преобразования оценивается в одну единицу младшего значащего разряда (е.м.з.р.), и величина последней определяется выражением

, (1.2)

где U_max, U_min – максимальное и минимальное (обычно 0) выходные напряжения ЦАП.

При проектировании ЦАП перед разработчиком ставится задача синтеза – определение тех технических требований на элементы схемы, которые обеспечат заданные метрологические характеристики этого устройства. Общая погрешность ЦАП δ_об по его основной δ_ос и дополнительной δ_д погрешностям определяется формулой

. (1.3)

Основная погрешность ЦАП определяется числом разрядов и равна единице младшего значащего разряда. Дополнительная погрешность определяется рядом факторов, основные из которых и исследуются при проведении данной лабораторной работы:

δ_т.д. – технологический допуск на номинал используемых резисторов матрицы;

δ_t – допуск на изменение сопротивления резистора в зависимости от температуры;

δ_u – допуск на нестабильность источника опорного напряжения.

В этом случае дополнительная погрешность δ_д находится как корень квадратный из суммы квадратов всех этих составляющих:

δ_д = , (1.4)

и задачей разработчика ЦАП является установление допусков на погрешности всех этих мешающих факторов.

Для упрощения задачи можем принять все составляющие дополнительной погрешности δ_д одинаковыми, отсюда величина погрешности ЦАП от каждого фактора

δ_i = δ_д / . (1.5)

Влияние каждого из дополнительных факторов – технологического допуска номинала резистора, температурной зависимости сопротивления резисторов, нестабильности источника опорного напряжения – на результирующую величину погрешности ЦАП не одинаково. В ходе экспериментов лабораторной работы для задаваемой величины погрешности каждого мешающего фактора мы находим максимальную результирующую величину погрешности ЦАП (обычно для начальных точек) и определяем её корреляцию (соотношение) с погрешностью интересующего нас параметра элемента (δ_{i ЦАП} /δ _{i эл-та}), фиксируя эту корреляцию в выводах по каждому эксперименту. Последние будут использованы затем при синтезе ЦАП с нужными метрологическими характеристиками.

Далее при проверке качества усвоения материала по контрольным вопросам студенту даётся задача на проектирование ЦАП с заданными метрологическими параметрами – определёнными величинами d_об, δ_ос и δ_д. Задачей студента будет определение количества разрядов ЦАП исходя из величины заданной или принятой студентом основной погрешности ЦАП и нахождение δ_т.д., δ_t, δ_u элементов схемы по величине заданной дополнительной погрешности ЦАП и величинам коэффициентов корреляции по результатам проведённых ранее экспериментов.

Методика выполнения работы

1. Запустите программное обеспечение Multisim. В настройках «Options» → «Global Preferences» → закладка «Parts» выберите европейский стандарт обозначения элементов электронных схем «DIN». Далее для выбора режима симуляции процесса в меню «Simulate» выберите «Digital Simulation Settings» и в открывшемся окне установите режим «Ideal».

2. Соберите схему 4-разрядного ЦАП, как показано на рис. 1.4, используя перечень элементов, приведенный в табл. 1.1. Номиналы резисторов в мат­рице R–2R установите (двойным нажатием левой клавиши мыши по элементу, закладка «Value», параметр «Resistance») соответственно равными 1 КОм и 2 КОм, номинал резистора в цепи обратной связи ОУ установите равным 1 КОм.

 

Рис. 1.4. Рабочая схема ЦАП на основе матрицы R-2R

 

В качестве источника опорного напряжения включите регулируемый по напряжению источник постоянного напряжения, установив в нём двойным щелчком левой клавиши мыши напряжение 10 В. Управление переключателями S_i обеспечьте от клавиш с цифрами 0, 1, 2, 3 соответственно (курсор мыши установите на изображении переключателя и двойным щелчком левой клавиши вызовите окно Switch, в закладке Value которого задайте нужный символ управления работой элемента). Для измерения выходного напряжения ЦАП используйте мультиметр на шкале постоянного тока.

3. Снимите выходную характеристику ЦАП, последовательно за­да­вая от нуля до максимума все комбинации кодов ключами и контролируя выходное напряжение схемы. Результаты эксперимента поместите в табл. 1.2. Постройте график выходной характеристики.

 

Таблица 1.1

 

Название	Путь расположения в базе
Резистор	Group: Basic Family: Resistor Component: 1k
Источник напряжения	Group: Sources Family: Power _sources Component: DC _Power
Заземление	Group: Sources Family: Power _sources Component: Ground
Операционный усилитель	Group: Analog Family: Analog _virtual Component: Opamp_3T_Virtual Model manuf./ID: IIT/IDEAL_5
Ключ	Group: Basic Family: Switch Component: SPDT
Мультиметр	Toolbar: Instruments Component: Multimeter

 

4. Оцените влияние технологического допуска номинала резисторов в резисторной матрице и в цепи обратной связи ОУ на метрологические характеристики ЦАП. Так как величина сопротивления от образца к образцу изменяется в пределах установленного допуска, например в 0.5% для прецизионного резистора по нормальному закону, для определённости установите отклонения от номиналов резисторов R_i и 2R_i по рис. 1.4 в соответствующих раз­ря­дах кода с противоположными зна­ками, как это показано в табл. 1.3. Номинал резистора в цепи обратной связи установите равным 1.005 кОм.

Таблица 1.2

 

Число			…
Код			…
Uвых, В			…

 

Таблица 1.3

 

Разряд	R вертикальный, кОм	R горизонтальный, кОм
	R -0.5%=0.995	2 R +0.5%=2.010
	R +0.5%=1.005	2 R -0.5%=1.990
	R -0.5%=0.995	2 R +0.5%=2.010
	2 R +0.5%=2.010	2 R -0.5%=1.990

 

Снимите выходную характеристику ЦАП для этого случая, заполняя табл. 1.4. В строке 4 введена абсолютная погрешность D = U_зам – U_ист, а в строке 5 рассчитывается значение относительной погрешности d в точке измерения как отношение (D/U_ист)100%. Здесь в качестве U_ист необходимо брать значения выходного напряжения ЦАП по табл. 1.2 для каждой комбинации ключей, а в качестве U_зам следуетиспользовать соответствующие значения выходного напряжения той же кодовой комбинации по табл. 1.4.

Таблица 1.4

 

Число			…
Код			…
Uвых, В
D, В
d, %

 

Какой можно сделать вывод о влиянии технологического допуска номинала резистора на погрешность ЦАП из анализа данных таблицы 1.4? Как коррелируются эти погрешности?

5. Выясните, каково влияние температуры на метрологические харак­те­рис­тики ЦАП за счёт температурного изменения сопротивлений всех резисторов в резисторной матрице и в цепи обратной связи ОУ. В данном эксперименте будем считать, что все резисторы изго­товлены по интегральной технологии в пределах одного кристалла, что обеспечивает одинаковость изменения их номиналов в функции температуры. В соответствии с этим фактором в схеме ЦАП (рис. 1.4) увеличьте на 1% значения сопротивлений всех резисторов и определите выходную характеристику ЦАП для данного случая, за­полняя графы в табл. 1.5, аналогичной табл. 1.4. Ка­кой можно сделать вывод из анализа данных о влиянии температурной погрешности резисторов на погрешность ЦАП в случае одинакового изменения всех сопротивлений от температуры? Как они коррелируются?

6. Определите, каково влияние температуры на метрологические характеристики ЦАП в случае неодинаковости температурных режимов резисторной матрицы и резистора обратной связи ОУ, что может иметь место при гибридной технологии изготовления ИС. То есть резисторная матрица по интегральной технологии изготовлена на кристалле ИС, а ре­зистор обратной связи ОУ как дискретный элемент электрической схемы подключён к ОУ на ИС. В этом случае без специальных технических приёмов одинаковость температурных режимов всех резисторов невозможна. Поэтому в схеме ЦАП (рис. 1.4) резисторы матрицы ос­тавьте неизменными в соответствии с п. 5., т.е. увеличенными на 1% от номинала, а номинал резистора в цепи ОУ установите равным 1 кОм. Определите выходную характеристику ЦАП, заполняя графы в табл. 1.6, аналогичной табл. 1.4. Вычислите абсолютные и относительные погрешности преобразования, сделайте выводы из результатов эксперимента о влиянии температурной погрешности резисторов на погрешность ЦАП в случае неодинаковости температурных режимов сопротивлений. Как они коррелируются?

7. Оцените воздействие нестабильности источника опорного напря­же­ния на метрологические характеристики ЦАП. Для этого в схеме (рис. 1.4) с номиналами резисторов по п. 2 измените напряжение источни­­ка опорного напряжения на 1%, установив его равным 10.1 В. Снимите выходную характеристику ЦАП, заполняя графы в табл. 1.7, аналогичной табл. 1.4. Рассчитайте величины абсолютной и относительной погрешностей преобразования, сделайте выводы из результатов эксперимента. Как коррелируется погрешность ЦАП от погрешности источника опорного напряжения?

8. В схеме ЦАП (рис. 1.4) нарушено условие равенства прово­димости цепей, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам ОУ. Это условие определяется общей теорией работы операционных усилителей. Для проверки влияния данного ограничения на работу ЦАП включите в цепь между неинвертирующим входом ОУ и землёй резистор с номиналом в 500 Ом (параллельное соединение резистора цепи обратной связи R 5 = 1 кОм и общего сопротивления всей резисторной матрицы R = 1 кОм) и снимите выходную характеристику преобразователя. Предварительно задайте характеристики реального операционного усилителя, установив Component: LF353H. По результатам эксперимента заполните табл. 1.8, аналогичную табл. 1.4. Какие выводы можно сделать из опыта?

 

Указания по оформлению отчёта

Отчёт в письменном виде должен содержать:

1) рабочую схему четырёхразрядного ЦАП на основе матрицы R - 2R и его выходную характеристику (табл. 1.2) для всех кодовых комбинаций от 0000 до 1111;

2) выходную характеристику ЦАП (табл. 1.4) при установленной величине технологического разброса номиналов резисторов в 0,5% и рассчитанных величинах абсолютной и относительной погрешностей ЦАП в точках измерения по табл. 1.4. Найти величину коэффициента корреляции К_{т.р .} как отношение максимальной величины погрешности ЦАП к величине допуска на технологический разброс в 0,5%;

3) выходные характеристики ЦАП с рассчитанными величинами абсолютных и относительных погрешностей ЦАП для всех других мешающих факторов:

– температурной погрешности ЦАП в 1% вследствие изменения номинала всех резисторов матрицы и резистора цепи обратной связи (табл. 1.5) и изменения резисторов только матрицы (табл. 1.6). Найти величины коэффициентов корреляции К_t1 и К_t2 как отношение максимальной величины погрешности ЦАП к погрешности величины резистора в 1% из-за температуры;

– погрешности ЦАП от нестабильности опорного напряжения U_o в 1% (табл. 1.7). Найти величину коэффициента корреляции К_о как отношение максимальной относительной погрешности ЦАП к величине погрешности U_o в 1%;

4) выходную характеристику ЦАП при равенстве проводимости цепей, подключенных к инвертирующему и неинвертирующему входам операционного усилителя (табл. 1.8);

5) выводы и оценку полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. В чём заключается основное свойство резисторной матрицы R–2R?

2. Какой результат можно ожидать при проведении эксперимента в соответствии с п. 5, если номиналы всех резисторов будут уменьшены на 1%?

3. Подсчитайте веса в процентах единицы младшего разряда для ЦАП с резисторной матрицей на 8 и 12 разрядов.

3. При проведении исследований по данной лабораторной работе максимальное выходное напряжение преобразователя равно 9.375 В. Здесь нарушается требование к диапазону стандартного вы­ходного напряжения в 0 – 10 В. Что необходимо изменить в схеме на рис. 1.3, чтобы обеспечить требования стандарта? Экспериментально проверьте ваши соображения.

4. Для заданных преподавателем комбинаций погрешностей d_об, δ_ос, δ_д ЦАП рассчитайте величины погрешностей на технологический допуск номинала резисторов, температурную погрешность сопротивлений и нестабильность источника опорного напряжения.

Лабораторная работа № 2.
Исследование анАлогового мультиплексора

Целями работы являются: изучение студентами элементной базы аналоговых ключей, исследование их характеристик, построение и проверка работы схемы аналогового мультиплексора.

Краткая теория

Аналоговый мультиплексор представляет собой схему, которая осу­ществляет подключение в произвольном порядке не более чем одного из нескольких различных аналоговых входов к одному аналоговому выходу. Обращение к каждому индивидуальному входному каналу обычно осуществляется с помощью цифрового адресного кода, который подаётся на цифровые входы устройства.

В основе построения аналогового мультиплексора лежит примене­ние аналогового ключа – схемы, действующей как замкнутый или разомкнутый контакт, пропускающий или не пропускающий аналоговый сигнал между двумя точками электрической цепи [1, 2]. То или иное положение ключа обычно задаётся цифровым способом с использованием адресных буферов и схем дешифрации.

В качестве переключаемых элементов в аналоговых ключах почти всегда используют полевые транзисторы, так как симметричность их конструктивного исполнения обеспечивает одинаково нормальную работу транзистора, если истоковый и стоковый выводы меняют местами. Поэтому полевые транзисторы одинаково работают при переключении положительных и отрицательных сигналов. А биполярный транзистор пропускает сигнал только одной полярности. Второе принципиальное преимущество полевых транзисторов – отсутствие напряжения сдвига по постоянному току. Ключ на полевом транзисторе имеет только последовательное сопротивление между входом и выходом и не имеет каких-либо связанных с переходами потенциалов, вносящих сдвиг по постоянному току. Когда полевой транзистор включен, последовательное сопротивление мало (около 10-100 Ом); выключенный полевой транзистор имеет сопротивление порядка 10¹⁰ – 10¹¹ Ом.

При построении ключевых схем из двух типов полевых транзисторов предпочтение отдаётся МОП-транзистору (или МДП-транзистору) по сравнению с полевым транзистором с управляемым p-n –переходом. Расшифровка равнозначных аббревиатур: структура МОП – металл затвора, окисел плёнки SiO₂, полупроводник Si кристалла; структура МДП – металл затвора, диэлектрик из плёнки окиси SiO₂, полупроводник Si кристалла. На рис. 2.1 показана струк­тура n –канального МОП-тран­зис­то­ра. В толще пластины монокристалла крем­ния Si с проводимостью p созданы области истока И и стока С с проводимостью n, границы которыхсовпадают с проекциями затвора З на кристалл кремния.

 

Рис. 2.1. Структура n -канального МОП-транзистора

 

Поверхность пластины покрыта изолирующим слоем окиси кремния SiO₂, в котором выполнены сквозные отверстия под выводы соответствующих об­ластей. В углублении в изолирующем слое SiO₂ находится металлическая пластина зат­вора З. При отсутствии потенциала на зат­во­ре электрическая цепь исток-сток разомкнута, поскольку в пластине кремния между этими областями отсутствуют электроны, выполняющие функции носителя электри­ческого тока для цепи И-С. Сопротивление цепи И-С в пластине кремния велико. Для замыкания электри­ческой цепи в кристалле между истоком и стоком необходимо подать на затвор З положительное напряже­ние относительно подлож­ки. Тогда под действием положительного электри­ческого поля «зат­вор-подложка» электроны из области р под действием силы Кулона будут притя­гиваться в приповерхностный слой пластины под затвор между облас­тями «исток-сток», в результате чего здесь будет сформи­рован канал проводимо­сти n, соединяющий об­ла­сти И-С с той же про­водимостью. Во внешней цепи И-С потечёт элек­трический ток. Отрицательный потенциал на затворе усиливает эффект запирания цепи «исток-сток», привлекая в приповерхностную зону дырки.

Наличие изолирующего слоя под затвором пре­дотвращает проникновение в цепь «исток-сток» сигнала управляю­щего напряжения, ис­поль­зуемого для изме­не­ния состояния прибора. Для МОП-транзисторов могут быть получены большие напря­жения обратного пробоя, чем у полевых транзисторов с p-n переходом. Далее для ключевых применений целесообразнее использовать МОП-транзисторы с обогащением, то есть повышенным содержанием атомов примеси в монокристалле кремния, поскольку приборы с обогащением при отсутствии управляющего напряжения разомкнуты.

Отдельный n –канальный или p –канальный МОП-транзистор с обога­щением может работать как аналоговый ключ. На рис. 2.2 приведены схемы для снятия выходных характеристик МОП-транзисторов c обогащением. Для n –канального транзистора (рис. 2.2, а) положительное напряжение от источника регулируемого напряжения подаётся на затвор прибора, а подложка соединяется со стоком, то есть с выводом отрицательного потенциала. Для p –канального транзистора (рис. 2.2, б) на затвор подаётся отрицательное напряжение, а подложка соединяется с истоком, то есть с выводом положительного потенциала. Выходные характеристики (рис. 2.3) показывают, что каждый прибор для пропускания тока между выводами исток и сток требует задания напряжения на затворе U_зс больше порогового и составляющего приблизительно 2 В (n -канальный прибор имеет положительное пороговое напряжение «затвор-сток», тогда как для p -канального прибора необходимо отрицательное напряжение). Отдельный МОП-прибор лучше всего работает в качестве аналогового ключа при прохождении сигнала одной полярности.

а б

Рис. 2.2. Схемы для снятия выходных характеристик МОП-транзисторов:

а – n -канального; б – p -канального

а б

Рис. 2.3. Выходные характеристики МОП-транзисторов:

а – n -канального; б – p -канального

Переключение биполярных анало­говых сигналов выполняется наилучшим образом при исполь­зо­ва­нии комплементарной ключевой схе­мы, изображённой на рис. 2.4.

 

 

Рис. 2.4. Схема ключа на МОП-транзисторах с дополнительной

симметрией (комплементарная ключевая схема)

 

Эта схе­ма может пропускать сигнал любой по­лярности благодаря параллельной структуре. Ключ замыкается при подаче на затвор n –канального при­бора положитель­ного управляющего напряжения, превышающего порого­вое, и на затвор p –канального прибора – отри­цательного напряжения, которое больше порогового. Большие положительные аналоговые сигналы будут проходить через n –канальный при­­бор, а отрицательные сигналы – через p –канальный при­бор. Сопротивление «исток-сток» каж­дого прибора является функцией по­ляр­но­сти и амплитуды входного сигнала. Од­нако, поскольку схема яв­ля­ется комплементарной, при снижении сопротив­ления одного канала сопротивление другого кана­ла прибора увеличивается. В результате эф­фек­тивное сопро­тив­ле­ние в парал­лельном соединении оста­ётся отно­сительно неизменным для биполярных входных сигналов с лю­бой амплитудой.

На рис. 2.5 представлена функциональная схема 4-канального аналогового муль­типлексора на КМОП-транзисторах. Любой канал может быть опрошен прос­тым заданием его цифро­вого адреса в виде двухразрядного двоичного кода.

Дополнительный циф­ро­вой вход, называемый раз­ре­шающим входом, позво­ляет управлять вклю­чени­ем или отклю­чением всех 4 каналов, что требуется в системах, имеющих более одного мультиплексора.

Все три цифровых входа совместимы с логическими уровнями транзисторно-транзисторной логики ТТЛ. Но сигналы ТТЛ в блоке 1 с помощью внутренних буфера и схемы смещения уровня переводятся в уровни напряжений КМОП-тран­зисторов. Если при использовании положительной логики подавать все логические нули на цепи А1, А0 и логическую единицу на разрешающий вход (Разр.), то будет открыта только первая схема И-НЕ блока дешифратора 2.

На выходе этой схемы возникает логический 0, который будет приложен к МОП-транзисторному ключу с каналом р-типа в блоке ключей мультиплексора 3. Кроме того, выходной сигнал И-НЕ инвертируется и в виде логической 1 поступает на МОП-транзисторный ключ с каналом n –типа. Оба МОП-транзистора открываются и подключают вход 1 к общему выходу.

 

 

Рис. 2.5. Четырехканальный аналоговый мультиплексор

 

Полная принципиальная схема входного буфера, схемы сме­ще­ния уровня и адресного дешифратора аналогового мультиплексора по­казаны на рис. 2.6 и рис. 2.7 соответственно. Схема на рис. 2.6 по­стро­ена на базе КМОП-транзисторов. Сигнал адресного входа ТТЛ-уров­ня по­да­ётся на первый каскад схемы и параллельно на четвёртый каскад. Выходной сигнал первого каскада, амплитуда которого регулируется величиной V_оп, подаётся на третий каскад преобразования. Выходной сигнал с разделённой нагрузки третьего каскада вторым, пятым и шестым каскадами преобразуется