Введение
Электрическая цепь
Резисторная лестница — это электрическая цепь, состоящая из повторяющихся блоков резисторов, объединенных в определенной конфигурации. Конфигурация R–2R является простым и недорогим способом реализации цифро-аналогового преобразования (ЦАП) с использованием повторяющихся схем точных резисторных сетей, организованных в виде лестницы.
A resistor ladder is an electrical circuit made from repeating units of resistors, in specific configurations. An R–2R ladder configuration is a simple and inexpensive way to perform digital to analog conversion (DAC), using repetitive arrangements of precise resistor networks in a ladder like configuration.
История
В статье 1953 года "Кодирование методами обратной связи" описываются "сети декодирования", преобразующие числа (в любой системе счисления), представленные источниками напряжения или тока, подключенными к резисторным сетям в "сети декодирования с шунтами" (которая в двоичной системе счисления соответствует двоичной взвешенной конфигурации) или в "сети декодирования в виде лестницы" (которая в двоичной системе счисления соответствует конфигурации R–2R), в единое выходное напряжение. В статье отмечается преимущество конфигурации R–2R, заключающееся в более равномерном импедансе, "видимом" источникам. Другое историческое описание приводится в патенте США 3108266, поданном в 1955 году, под названием "Аппарат преобразования сигналов".
Сеть резисторов
Струна из множества резисторов, соединенных между двумя опорными напряжениями, называется "резисторной цепочкой". Резисторы выполняют функцию делителей напряжения между этими опорными напряжениями. Делитель Кельвина или ЦАП на основе резисторной цепочки – это цепочка резисторов с одинаковым номиналом.
Аналого-цифровое преобразование
Каждое касание струны генерирует разное напряжение, которое можно сравнить с другим напряжением: это базовый принцип флэш-АЦП (аналого-цифрового преобразователя). Главный недостаток заключается в том, что для данной архитектуры требуются компараторы, по одному на каждый резистор; и это количество нельзя уменьшить, используя R-2R сеть, поскольку такая сеть не будет иметь отдельных выходов для каждого напряжения.
Перевод цифровых данных в аналоговые
Строка резисторов может функционировать как ЦАП, если биты двоичного числа управляют электронными переключателями, подключенными к каждой точке отвода.
Бинарно взвешенный
Бинарная взвешенная конфигурация использует значения, кратные двойке, от базового сопротивления. Однако, с увеличением соотношения номиналов резисторов, становится сложнее обеспечить точную подгонку их значений для достижения требуемой точности соотношений. Более точные соотношения достигаются при использовании близких по величине сопротивлений, как это реализовано в R-2R лестнице. Следовательно, R-2R лестница обеспечивает более точное цифро-аналоговое преобразование.
Текущий режим
Поскольку выходной импеданс не зависит от цифрового кода, аналоговый выход может также рассматриваться как ток, идущий в виртуальную землю – конфигурация, называемая токовым режимом (или иногда инвертным режимом). В токовом режиме усиление ЦАП можно регулировать с помощью последовательного резистора на клемме опорного напряжения. Ток от всех битов проходит через эквивалентное сопротивление 2R к земле. Чем менее значим бит, тем больше резисторов должен пройти его сигнал. На каждом узле ток каждого бита делится пополам.
Точность резисторных лестниц R2R
Резисторы, используемые для более значимых битов, должны быть пропорционально точнее, чем резисторы, используемые для менее значимых битов; например, в R–2R сети, описанной выше, неточности резисторов, соответствующих биту 4 (MSB), должны быть пренебрежимо малы по сравнению с (~3,1%) от R. Кроме того, чтобы избежать проблем при переходе от 100002 к 011112, сумма неточностей младших битов также должна быть значительно меньше этого значения. Необходимая точность удваивается с каждым дополнительным битом: для 8 битов требуемая точность должна быть лучше, чем (~0,4%). Однако разброс сопротивлений при изготовлении в одном компоненте, как правило, значительно меньше, чем разброс между компонентами или между производственными партиями, поэтому резисторную сеть можно приобрести как единый компонент. В интегральных схемах высокоточные R–2R сети могут быть нанесены непосредственно на одну подложку с использованием технологии тонких пленок, что обеспечивает схожие электрические характеристики резисторов. Тем не менее, для достижения требуемой точности их часто приходится подвергать лазерной корректировке. Были продемонстрированы такие резисторные лестницы на кристалле для цифро-аналоговых преобразователей, достигающих 16-битной точности.
Лестница с резистором с неравными ступенями
Не обязательно, чтобы каждая "перемычка" R–2R лестницы использовала одинаковые номиналы резисторов. Необходимо лишь, чтобы номинал "2R" соответствовал сумме номинала "R" и эквивалентного сопротивления Тевена более младших перемычек. На рисунке 2 показан линейный 4-битный ЦАП с резисторами разных номиналов. Это позволяет создать достаточно точный ЦАП из гетерогенного набора резисторов, формируя ЦАП по одному биту за раз. На каждом этапе резисторы для "перемычки" и "ветви" выбираются таким образом, чтобы номинал перемычки соответствовал номиналу ветви плюс эквивалентное сопротивление предыдущих перемычек. Резисторы перемычек и ветвей могут быть сформированы путем последовательного или параллельного соединения других резисторов для увеличения количества доступных комбинаций. Этот процесс может быть автоматизирован.