Современные аналого — цифровые интегральные микросхемы общего применения National Semiconductor

Аналого-цифровые микросхемы — интегральные цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи — относятся к классу наиболее распространенных и широко используемых компонентов современной электронной техники. Компания National Semiconductor является одним из ведущих мировых производителей интегральных микросхем (ИМС) ЦАП и АЦП различных типов, число моделей которых насчитывает более ста наименований. В наших предыдущих статьях [1, 2] был сделан обзор ИМС АЦП National Semiconductor, выпускаемых компанией в середине 2005 года. В последнее время номенклатура интегральных ЦАП и АЦП National Semiconductor заметно обновилась. При этом весьма интересным для разработчиков различной аппаратуры представляется семейство унифицированных по ряду параметров и корпусам ИМС ЦАП и АЦП общего применения (максимальная частота преобразования до 1,5 МГц) с пониженным энергопотреблением, отличающихся от аналогичных изделий других фирм сочетанием весьма высоких характеристик при сравнительно небольшой стоимости.

Основные электрические параметры современных ЦАП и АЦП [3] можно условно разделить на статические, характеризующие величины входных и выходных сигналов, разрешающую способность преобразователя, погрешности преобразования постоянного напряжения, температурную нестабильность, и динамические, определяющие время и максимальную частоту преобразования. Важную роль играют также параметры источников питания, опорных сигналов и конструктивные особенности ИМС — архитектура преобразователя, количество каналов, тип интерфейса, наличие внутреннего тактового генератора и источника опорного напряжения, варианты исполнения корпусов. В технических описаниях и руководствах по применению интегральных ЦАП и АЦП обычно приводятся следующие основные электрические параметры:

1. Разрядность — измеряется в битах и определяет максимальное число кодовых комбинаций на входе ЦАП и выходе АЦП, характеризуя их с точки зрения достижимой точности преобразования. Используется также обратная величина — разрешающая способность, измеряемая в процентах или децибелах. Например, 12-разрядный АЦП имеет разрешающую способность 1/4096 или 0,0245% от полной шкалы, что соответствует –72,2 дБ.
2. Время установления ЦАП, время преобразования АЦП — измеряются в мкс и определяют для ЦАП интервал времени от момента изменения входного кода до достижения выходным сигналом устойчивого состояния, соответствующего 1/2 единицы младшего разряда (ЕМР) или допустимому пределу заданной погрешности, а для АЦП — интервал времени от начала преобразования до появления на выходе АЦП устойчивого кода выходного сигнала.
3. Максимальная частота обновления ЦАП, максимальная частота преобразования АЦП — измеряются в МГц и определяют наибольшую частоту, с которой возможно преобразование входного сигнала, при условии, что величины погрешностей не выходят из заданных пределов.
4. Число каналов (выходов ЦАП/мультиплексированных входов АЦП).
5. Диапазон выходных напряжений ЦАП, диапазон входных напряжений АЦП.
6. Максимальное и минимальное напряжение питания.
7. Максимальная потребляемая мощность.
8. Интегральная нелинейность (INL) — измеряется в процентах от полной шкалы или единицах младшего разряда и характеризует отклонение реальной характеристики преобразования от идеальной во всем диапазоне входного сигнала.
9. Дифференциальная нелинейность (DNL) — также измеряется в процентах или ЕМР и характеризует разность напряжений между данным и средним значением кванта преобразования.
10. Погрешность смещения нуля — усредненное по времени значение выходного напряжения для ЦАП и выходного кода для АЦП соответственно, когда входной код/напряжение равны нулю.
11. Погрешность полной шкалы — относительная разность, выраженная в % или ЕМР, между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.
12. Диапазон рабочих температур (Tmin, Tmax). Принята следующая система обозначения температурных диапазонов:

– C (Commercial) — от 0 до +70 °С,

– I (Industrial) от –40 до +85 °С,

– E (Extended) от –40 до +105 °С или +125 °С

– M (Military) от –55 до +125 °С.

В определенных условиях существенное влияние на работу ЦАП и АЦП могут оказывать шумовые параметры SNR, SFDR и SINAD, а также суммарный коэффициент гармоник THD и некоторые другие, их определения приведены в [1–3].

Рассматриваемые в данном обзоре ИМС ЦАП выполнены по технологии КМОП и используют схему суммирования напряжений, основу которой составляет последовательная цепочка из 2^N (N — разрядность ЦАП) резисторов с одинаковым сопротивлением, подключаемая к источнику опорного напряжения (ИОН), и таким же количеством электронных ключей, замыкание одного из которых формирует заданную величину выходного напряжения ЦАП. Точная подгонка сопротивления резисторов гарантирует высокую линейность и монотонность переходной характеристики, а использование в выходном буферном усилителе операционного усилителя (ОУ) с Rail to Rail выходом [4] дает возможность получить выходное напряжение ЦАП в диапазоне от нуля до напряжения питания V_A.

В свою очередь, рассматриваемые АЦП также выполнены по технологии КМОП, имеют встроенное устройство выборки/хранения (УВХ) и используют архитектуру последовательного приближения (Successive Approximation), которая является наиболее оптимальной для построения многоразрядных АЦП среднего быстродействия. В основе работы таких преобразователей лежит последовательное сравнение измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т. д. от ее возможного максимального значения, что позволяет выполнить весь процесс преобразования за N (число разрядов) последовательных шагов. Статическая погрешность АЦП последовательного приближения определяется, в основном, используемым в нем ЦАП, и может быть очень малой, что дает возможность получить высокую разрешающую способность преобразователя. Структурная схема АЦП последовательного приближения и принципы его работы приведены в [3].

Важную часть ЦАП и АЦП составляет цифровой интерфейс, обеспечивающий связь ИМС с источниками и приемниками цифровых сигналов. Последовательный интерфейс медленнее параллельного, однако, он содержит меньшее количество линий, что позволяет сократить число выводов ИМС и, соответственно, использовать корпуса меньших размеров. Рассматриваемые модели аналого-цифровых микросхем общего применения National Semiconductor имеют последовательный трехпроводной интерфейс, совместимый по протоколу с SPI, QSPI и MICROWIRE.

Для интегральных АЦП и ЦАП общего применения National Semiconductor использует определенную систему маркировки, включающую пять групп символов, соответствующих основным параметрам ИМС и имеющую следующий вид:

где:

ADC — аналого-цифровой преобразователь,

DAC — цифро-аналоговый преобразователь;

NN — разрядность: 08, 10, 12;

М — число каналов: 1, 2, 4, 8;

I — тип интерфейса: S — последовательный SPI, I — последовательный I2C, отсутствие символа — параллельный;

FF — для АЦП — тип входа и частота преобразования: «заземленный» вход: 02 — от 50 до 200 кГц, 05 — от 200 до 500 кГц, 10 — от 500 кГц до 1 МГц; дифференциальный вход: 62 — от 50 до 200 кГц, 65 — от 200 до 500 кГц, 70 — от 500 кГц до 1 МГц; для ЦАП — время установления в мкс (ориентировочно);

R — способ подключения источника опорного напряжения ИОН и источников питания ИП (один общий вывод VA или два отдельных вывода V_A и V_D для питания аналоговой и цифровой части ИМС): 1 — ИОН — V_A, один ИП; 2 — ИОН — V_A, два ИП; 3 — ИОН — внутренний/внешний/V_A, один ИП; 4 — ИОН — внутренний/внешний/V_A, два ИП; 5 — ИОН — внешний, один ИП; 6 — ИОН — внешний, два ИП.

Пример обозначения 10-разрядного восьмиканального АЦП с последовательным интерфейсом SPI, частотой преобразования от 500 кГц до 1 МГц, использованием в качестве ИОН напряжения питания и отдельными выводами питания аналоговой и цифровой части ИМС — ADC108S102; 12-разрядного четырехканального ЦАП с временем установления 8,5 мкс, последовательным интерфейсом SPI, внешним ИОН и общим выводом питания аналоговой и цифровой части ИМС — DAC124S085.

Дополнительные буквенные символы, следующие за основным обозначением, обычно указывают на конструктивные особенности ИМС, в частности, на тип корпуса.

Основные параметры унифицированного семейства интегральных ЦАП приведены в таблице 1.

Набор включает одно-, двух- и четырехканальные ИМС ЦАП с разрядностью 8, 10 и 12, работоспособные при напряжении питания от 2,7 до 5,5 В в расширенном температурном диапазоне от –40 до +105 °С. Выходной операционный усилитель ЦАП имеет Rail to Rail выход и рассчитан на сопротивление нагрузки не менее 2 кОм и емкостью до 1500 пФ. Для одноканальных ЦАП в качестве ИОН используется источник питания, для двух- и четырехканальных — внешний источник с напряжением от 1 В до V_A. Структурная схема ИМС ЦАП DAC102S085 приведена на рис. 1.

Управление работой ЦАП осуществляется по трехпроводному последовательному интерфейсу с тактовой частотой до 40 МГц путем записи во входной 16-разрядный регистр сдвига словосостояния, задающего режим работы ЦАП и входной код. При включении питания микросхемы обеспечивается принудительная установка нулевого выходного напряжения ЦАП до момента подачи на ИМС соответствующих сигналов. В дежурном режиме Power Down выходы ЦАП в зависимости от управляющего кода могут находиться в одном из трех состояний: высокоимпедансном Z; сопротивление между выходом и общим проводом 100 кОм и сопротивлениемежду выходом и общим проводом 2,5 кОм. Время восстановления рабочего режима составляет 0,8 мкс при напряжении питания 3 В и 0,5 мкс при напряжении питания 5 В.

Область применения описанных ЦАП может быть весьма широка — это управляемые цифровым кодом различные регуляторы, программируемые источники напряжения и тока и аналогичные устройства, в том числе с автономным питанием, для которых существенно минимальное энергопотребление. В большинстве случаев для питания ИМС и в качестве источника опорного напряжения удобно использовать интегральные ИОН, например LM4050, или интегральные стабилизаторы с малым падением напряжения (Low Drop Output — LDO) [5]. На рис. 2 приведена упрощенная схема питания ИМС ЦАП DAC102S085 с интегральным LDO стабилизатором LP2980. Последний обеспечивает одно из значений выходного напряжения 3,0 В, 3,3 В или 5,0 В с точностью от 0,5% до 1% в зависимости от диапазона температур. Отметим, что интегральные LDO стабилизаторы, как было подробно описано в [5], критичны к выбору блокирующих вход и выход ИМС конденсаторов и конфигурации монтажа.

Использование одинаковых корпусов и стандартного расположения выводов для двух- и четырехканальных ИМС ЦАП с различной разрядностью дает возможность проводить модернизацию разрабатываемой аппаратуры без изменения конфигурации основной печатной платы. Картинка на рис. 3, приведенная на сайте компании, наглядно демонстрирует возможность такой замены для ИМС ЦАП в корпусах MINI SOIC-10 и запланированных к выпуску LLP. ИМС семейства DACXX1S101 совпадают по выводам и успешно (с превышением параметров по погрешности и экономичности) заменяют ЦАП семейства AD53XX фирмы ADI, соответственно DAC121S101 заменяет DAC7512 от TI.

Перейдем далее к рассмотрению унифицированного семейства ИМС АЦП, их основные параметры приведены в таблице 2. К настоящему времени набор включает более 30 микросхем (в таблице представлены выборочно), и в перспективе планируется его расширение, в частности, за счет увеличения разрядности АЦП и номенклатуры ИМС с дифференциальным входом.

Набор включает одно-, двух-, четырех- и восьмиканальные ИМС АЦП с разрядностью 8, 10 и 12, тактовой частотой от 50 до 1000 кГц, работоспособные при напряжении питания V_A от 2,7 до 5,25 В в температурном диапазоне от –40 до +85 °С (ряд микросхем может работать в расширенном диапазоне температур до +105 и +125 °С). Для ИМС с отдельным выводом питания цифровой части V_D напряжение на нем может быть от 2,7 В до V_A. Структурная схема ИМС АЦП ADC128S102 приведена на рис. 4.

Управление работой АЦП осуществляется по трехпроводному последовательному интерфейсу, частота преобразования определяется частотой тактовых импульсов, подаваемых на вывод SCLK. Цикл преобразования занимает 16 тактовых импульсов, при этом временные диаграммы преобразования для всех ИМС серии унифицированы, что упрощает перепрограммирование устройства при изменении его параметров, например, увеличении числа каналов. По окончании каждого цикла преобразования ИМС автоматически переходит в режим пониженного энергопотребления Power Down с высокоимпедансным состоянием цифрового выхода DOUT, этот режим достигается также установкой высокого уровня на входе /CS. Время восстановления рабочего режима не превышает 1 мкс при напряжении питания 5 В.

ИМС АЦП с дифференциальным входом ADC121S625 и внешним ИОН при напряжении ИОН V_REF от 0,1 до 2,5 В позволяет преобразовывать двухполярный входной сигнал в диапазоне от –V_REF до +V_REF с коэффициентом подавления синфазного сигнала более 80 дБ. Возможная схема включения ИМС ADC121S625 приведена на рис. 5. АЦП ADC121S625 совместим по выводам и с превышением параметров по точности заменяет ADS7817 от TI.

Несомненным достоинством предлагаемой унифицированной серии интегральных АЦП, так же как и выше рассмотренных ЦАП, является использование одинаковых корпусов и стандартного расположения выводов микросхем, обуславливаемого только числом мультиплексированных каналов при различной разрядности и частоте преобразования, что наглядно демонстрирует рис. 6.

Следует отметить, что, в отличие от аналогичных АЦП других производителей, параметры которых определяются, как правило, лишь для одного значения частоты преобразования, АЦП данной серии гарантируют неизменную высокую точность преобразования, в частности, по интегральной и дифференциальной нелинейности INL и DNL, во всем декларируемом диапазоне частот. При этом параметры АЦП National Semiconductor по точности и шумам значительно превосходят существующие аналоги.

В заключение имеет смысл дать ответ на возникающий в последнее время и ставший уже почти традиционным вопрос — насколько вообще целесообразно применение ИМС ЦАП и АЦП среднего быстродействия совместно с отдельными микроконтроллерами, в то время как многими фирмами выпускается ряд моделей микроконтроллеров с интегрированными многоканальными ЦАП и АЦП, причем стоимость последних может быть сравнима со стоимостью самих ИМС преобразователей. Ответ на этот вопрос становится очевидным при сравнении параметров встроенных в микроконтроллеры и рассматриваемых в данном обзоре ИМС ЦАП и АЦП: преобразователи, встроенные в микроконтроллеры, имеют несравнимо большие погрешности и меньшую точность, особенно при разрядности более восьми. Таким образом, применение рассмотренных ЦАП и АЦП наиболее целесообразно в аппаратуре с низким энергопотреблением, в которой параметры точности преобразования играют существенную роль, — медицинской, приборах управления технологическими процессами, навигационном оборудовании и т. п.

Для сокращения времени проектирования устройств с ИМС ЦАП и АЦП фирма National Semiconductor предлагает для ряда моделей специальные демонстрационные платы. Интегральные АЦП National Semiconductor поддерживаются онлайновой технологией проектирования электронных устройств WEBENCH, размещенной на сайте фирмы, позволяющей выбрать оптимальный тип преобразователя, соответствующий требованиям пользователя. Компания National Semiconductor гарантирует поставку любых, поддерживаемых средствами WEBENCH продуктов в пределах 24 часов.

Широкая номенклатура и сравнительно невысокая стоимость интегральных ЦАП и АЦП National Semiconductor, а также возможность онлайнового выбора делает их весьма привлекательными для широкого круга разработчиков РЭА. Более подробную техническую информацию можно найти на сайте фирмы www.national.com. Рассмотренные ИМС, а также другие компоненты производства компании National Semiconductor можно приобрести в ЗАО «Промэлектроника» www.promelec.ru.

Литература

1. Штрапенин Г. Л. Аналого-цифровые преобразователи общего применения фирмы National Semiconductor // Компоненты и технологии. 2005. № 5.
2. Штрапенин Г. Л. Быстродействующие аналого-цифровые преобразователи фирмы National Semiconductor // Компоненты и технологии. 2005. № 6.
3. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. М.: Издательский дом «Додэка-XXI». 2005.
4. Штрапенин Г. Л. Современные операционные усилители фирмы National Semiconductor // Компоненты и технологии. 2005. № 7.
5. Штрапенин Г. Л. Интегральные стабилизаторы с малым падением напряжения фирмы National Semiconductor // Компоненты и технологии. 2004. № 7.