5.4. Усилители с цифровым управлением

Усилители с цифровым управлением построить довольно просто, применяя аналоговые ключи, резисторы и ОУ (рис. 5.8). Схема представляет собой усилитель с цифровым управлением, выбор коэффициента усиления —1, —4, —16 или —64 осуществляется замыканием ключей или . Сделаем несколько замечаний об этой схеме. Во-первых, сопротивления открытых аналоговых ключей приводят к погрешностям коэффициентов усиления. Для решения этой проблемы сопротивления резисторов подбираются с учетом . Во-вторых, можно получить дополнительные значения коэффициента усиления, одновременно замыкая несколько ключей. В некоторых случаях важно свести к минимуму число резисторов и ключей, выбирая соответствующие номиналы сопротивлений. В-третьих, иногда бывает необходимо, чтобы ОУ всегда

Рис. 5.8. Усилитель с цифровым управлением с использованием аналоговых ключей.

работал с обратной связью, не входя в насыщение (когда цепь обратной связи разомкнута, ОУ работает как компаратор), особенно при переключении коэффициентов усиления. В противном случае в схеме возникают большие выбросы. Чтобы избежать этого, необходимо либо применять ключи, в которых замыкание цепи происходит до размыкания предыдущей связи, либо ввести постоянно включенный резистор в цепь обратной связи ОУ

На рис. 5.9 показаны варианты точек подключения аналоговых ключей. Идеального варианта на все случаи жизни нет, но наиболее часто применяются схемы С и D. При выборе конкретного варианта нужно учитывать следующие моменты.

— Сопротивление аналогового ключа влияет на коэффициент передачи в вариантах А, В, С и D. В усилителях с большим коэффициентом усиления варианты А и В намного хуже вариантов С и D. Сопротивление не сказывается на работе схемы Е, поскольку ключи оказываются включенными последовательно с высоким входным сопротивлением ОУ.

— Сопротивление многих аналоговых ключей зависит от напряжения сигнала. Следовательно, в вариантах А и D могут возникнуть

Рис. 5.9. Различные варианты подключения аналоговых ключей.

дополнительные искажения из-за модуляции Гвкл самим сигналом. В вариантах В, С и Е ключи работают при потенциале виртуальной земли и вносят минимальные искажения.

— В варианте D паразитные емкости и сопротивления утечки ключей подключены к выходу ОУ, поэтому они почти не влияют на работу схемы. В варианте А емкостями и токами утечки ключей можно пренебречь в том случае, если источник сигнала имеет малое выходное сопротивление. Схемы С, D и особенно Е очень критичны к токам утечки и паразитным емкостям, так как ключи находятся в самой чувствительной в этом отношении точке схемы.

— В схемах В, С и особенно Е при переключении могут возникать значительные переходные процессы, в основном, из-за переноса заряда на вход усилителя через проходную емкость аналогового ключа. Вариант А также чувствителен к переносу заряда при большом внутреннем сопротивлении источника сигнала. Схема D наименее подвержена этому явлению благодаря малому выходному сопротивлению ОУ

Для цифрового управления усилением часто используют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и один или два ОУ. На рис. 5.10 приведена схема аттенюатора с цифровым управлением.

Выходное напряжение:

где — значение двоичного входного кода, — максимальное значение двоичного кода

Рис. 5.10. Цифровой аттенюатор с применением ЦАП.

Если, например, на вход -битного ЦАП подано двоичное число 11111111, то его коэффициент передачи составит т.е. примерно 1. При подаче на ЦАП двоичного кода коэффициент передачи будет равен или примерно 1/16.

ЦАП должен иметь достаточное быстродействие по входу опорного напряжения Кроме того, некоторые ЦАП работают при опорном напряжением только одной полярности (т. е. должно всегда быть положительным или отрицательным). Применение таких ЦАП при двуполярном входном напряжении потребует довольно громоздкой схемы смещения, чего, по возможности, следует избегать. Сигналы переменного тока на такие ЦАП подавать проще, так как можно использовать развязывающие конденсаторы.

Применение ЦАП в цепи обратной связи ОУ для переключения коэффициента передачи показано на рис. 5.11 для инвертирующего и неинвертирующего усилителей. Отметим, что в этих схемах не допускается значение так как усилитель войдет в насыщение. Проанализируйте точность установки коэффициента усиления таких схем, особенно для получения максимального диапазона регулировки, поскольку для его обеспечения потребуется ЦАП с точной установкой веса младших значащих разрядов. Для решения этой проблемы можно применить

Рис. 5.11. Переключение коэффициента усиления с использованием ЦАП.

(см. скан)

Рис. 5.12 Цифровое управление усилением с использованием ЦАП на основе матрицы аттенюатор с цифровым управлением, б) усилитель с цифровым управлением, в) универсальный усилитель/аттенюатор.

Рис. 5.12. (продолжение).

ЦАП с большей разрешающей способностью, чем требуемая (например, 12-битный ЦАП вместо 8-битного в схемах, где требуется изменение коэффициента передачи от 1 до 256). В этом случае на неиспользуемые входы ЦАП подается низкий уровень (логический 0).

Для цифрового управления усилением хорошо подходят ЦАП с матрицей (рис. 5.12), так как они обычно допускают подачу как положительных, так и отрицательных опорных напряжений Кроме того, все необходимые резисторы содержатся внутри микросхемы ЦАП, обеспечивая хорошую температурную стабильность коэффициента передачи (температурные коэффициенты сопротивления одинаковы для всех резисторов). Для коррекции ОУ может потребоваться конденсатор С емкостью в несколько десятков

Заключительное замечание. Рассмотренные здесь ЦАП использовались для линейного управления коэффициентом передачи. Имеются также устройства, которые позволяют изменять коэффициент передачи в децибелах. Например, микросхема AD7110 имеет диапазон ослабления от 0 до 88,5 дБ с шагом 1,5 дБ; она предназначена для работы на частотах звукового диапазона.