Материал: Аналоговая и цифровая электроника. Учебное пособие. 2000

Рис.159. Элемент памяти РПЗУ (а), передаточная характеристика транзистора (б).

Элемент памяти представляет собой МДП-транзистор с индуцированным каналом, имеющий двухслойный диэлектрик под затвором. Если к затвору относительно подложки приложить положительное напряжение (30÷40)В, то

под действием сильного электрического поля электроны перемещаются к затвору и накапливаются на границе раздела двух диэлектрических слоев.

Электрический заряд снижает пороговое напряжение и смещает токовую характеристику влево. Это состояние соответствует лог. 1 (рис.159). Если электрического заряда нет, то это состояние соответствует лог. 0.

Чтобы уничтожить электрический заряд необходимо на затвор подать потенциал отрицательной полярности амплитудой (30÷40)В. При этом

электроны вытесняются в подложку и передаточная функция смещается вправо. Режим вытеснения заряда называется режимом стирания (электрическое стирание). Стирание информации может производиться путем облучения кристалла ИС ультрафиолетовым светом (ультрафиолетовое стирание). После стирания информации производится запись новой, на программаторе.

Гарантированный срок хранения информации в РПЗУ — 5-7 лет,

количество циклов перезаписи для микросхем с ультрафиолетовым стиранием около 100 и с электрическим стиранием около 10000.

Для снижения потребляемой мощности в ПЗУ используется динамический режим питания. При этом напряжение питания на ИС памяти подается только при обращении к ней. Потребляемая мощность уменьшается в сотни раз.

5.2 Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

Цифро-аналоговый преобразователь предназначен для преобразования входной величины, представленной числовым кодом, в эквивалентную аналоговую величину. Эти преобразователи широко используются в системах

136

автоматического управления, в цифровых системах обработки информации, в вычислительной технике.

В ЦАП в качестве входного сигнала используются цифровые коды, а выходным сигналом является , как правило, напряжение.

Принцип работы ЦАП состоит в суммировании эталонных значений напряжений (токов), соответствующих разрядам входного кода, причем в суммировании участвуют только те эталоны, для которых в соответствующих разрядах стоит "1". В этом случае входное напряжение определяется

следующим образом: Uвых = U20 Kn + U40 Kn−1 + U80 Kn −2 + ×××× + U2n0 K1 ,

где U0 — опорное (эталонное) напряжение,

k — коэффициенты двоичных разрядов, принимающие значение 0 или 1, n — разрядность входного кода.

Основные характеристики ЦАП подразделяются на статические и динамические.

Кстатическим параметрам относятся:

—разрядность (n)

—абсолютная разрешающая способность ЦАП - т.е. минимальным значением

изменения сигнала на выходе, обусловленное изменением входного кода на единицу (цена младшего разряда), определяется как U0/2n

—абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы дшк

представляет собой отклонение значения выходной напряженности от номинального расчетного, соответствующего конечной точке характеристики преобразованния (измеряется в единицах младшего разряда (EMP) или в процентах рис. 160.);

—нелинейность преобразования дL -это отклонение реальной характеристики преобразования от расчетной (линейной). Величина δL измеряется в единицах младшего разряда или в процентах:

дL = дL 100 где δL-абсолютное значение нелинейности

Uмак

Из динамических характеристик наиболее существенными являются:

—время установления выходного сигнала tуст, - это интервал времени от подачи входного кода до появления выходного напряжения;

—максимальная частота преобразования fпреобр

При построении ЦАП в качестве эталонов используются токи или напряжения. Принцип построения ЦАП, реализующих метод суммирования токов, иллюстрируются на рис.161.

137

Рис.160. Характеристики преобразования ЦАП Реальная(а) и идеальная(б).

Рис.161. Структурная схема ЦАП с суммированием токов (а) и ее реализация (б).

Данное устройство (рис. 161.а) содержит n источников тока, которые подключаются с помощью ключей S к общей нагрузке Rн. На общей нагрузке Rн будут протекать только токи тех разрядов, в которых значение цифры- единица. Если нагрузка Rн постоянна, то выходное напряжение Uвых пропорционально входному коду. На практике для получения выходного напряжения, пропорционального входному коду, в качестве нагрузки используется операционный усилитель, играющий роль преобразователя тока в напряжение. Действительно в ОУ напряжение между входами равно нулю.

Uвых = JУ×Rooc

Выходное напряжение в ОУ прямо пропорционально выходному току ЦАП и не зависит от сопротивления выходной нагрузки.

138

Недостатком рассмотренной выше схемы ЦАП является широкий диапазон величин сопротивлений в резистивной матрице для формирования разрядных токов. К тому же эти резисторы должны иметь прецизионную точность изготовления.

Поэтому в современных ЦАП используются резистивные матрицы типа R-2R. Эти матрицы включают в себя резисторы двух номиналов R и 2R (рис.162).

Uвых=UonS42 +UonS34 +UonS28 +Uon16S1

Рис.162. ЦАП с матрицей R-2R.

В резистивной матрице происходит последовательное деление тока на два. В результате выходное максимальное напряжение на выходе ЦАП при N= 111 …1 равно:

Входное сопротивление резистивной матрицы, а следовательно, и ток J0 постоянны и не зависят от состояния ключей (кода). При Rоос =R величина выходного напряжения Uвых мак меньше Uоп на величину младшего разряда.

Точность и стабильность параметров ЦАП, в основном, зависят от стабильности источника Uоп и точности изготовления резисторов R в матрице. В качестве материала для резисторов используют пленку поликремния, обладающую высокой стабильностью собственного сопротивления.

Для уменьшения погрешностей, возникающих из-за транзисторов токовых ключей, площади транзисторов выполняются пропорциональными протекающему через них току. ЦАП выпускаются в виде ИС, обычно с внешним источником Uоп и ОУ. На рис 163 изображены ИС ЦАП серии К572

Микросхема К572ПА1 представляет собой резистивную матрицу на 10 разрядов и токовые ключи. Входы ОУ подключаются к выходным шинам J1, J2, а выход ОУ ко входу Y. Сопротивление обратной связи Rоос=R находится внутри кристалла, что увеличивает стабильность работы ЦАП.

Микросхема К572ПА2 имеет разрядность –12 и содержит два

дополнительных двенадцатиразрядных регистров для хранения входной

139

информации. Прием в регистры производится подачей сигнала 1 на входы С1 и С2. Существуют другие серии ИС с повышенным быстродействием, например К1108ПА1, К1118ПА1 и др.

Рис 163. ИС ЦАП серии К572ПА1(а) и К572ПА2(б)

5.3 Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

Аналого-цифровой преобразователь – это устройство, предназначенное для преобразования непрерывно-изменяющейся во времени физической величины в эквивалентные ей значения цифровых кодов.

В качестве аналоговой величины может быть напряжение, ток, угловое перемещение, давление газа и т.д.

Процесс аналого-цифрового преобразования предполагает последовательное выполнение следующих операций:

—выборку значений исходной аналоговой величины в некоторые заданные моменты времени, т.е. дискретизация сигнала во времени;

—квантование (округление преобразуемой величины до некоторых известных величин) полученной в дискретные моменты времени значения аналоговой величины по уровню;

—кодирование – замена найденных квантовых значений некоторыми числовыми кодами.

140