Elettronica applicata/Convertitori D/A
Errori
modificaUn convertitore digitale/analogico (D/A) lineare ha la seguente caratteristica ideale:
- Categorie di errori
- errori statici: riguardano il comportamento a regime, cioè con segnale di ingresso costante;
- errori dinamici: riguardano il comportamento in transitorio, cioè con segnale di ingresso variabile.
Errori statici
modificaErrori lineari
modificaGli errori statici lineari si ricavano dal confronto tra la caratteristica ideale e la miglior retta approssimante:
- errore di offset : è pari all'intercetta sull'asse A della retta approssimante:
- errore di guadagno : è pari alla differenza tra la pendenza della caratteristica ideale e quella della retta approssimante:
Gli errori statici lineari si possono compensare tramite un'opportuna taratura del circuito.
Errori di nonlinearità
modificaGli errori statici di nonlinearità si ricavano dal confronto tra la caratteristica reale e la miglior retta approssimante:
- errore di nonlinearità integrale : è il massimo scostamento della caratteristica reale dalla retta approssimante considerando il grafico complessivo;
- errore di nonlinearità differenziale : preso un LSB, è lo scostamento della caratteristica reale dalla retta approssimante:
- errore di non monotonicità: l'errore di nonlinearità differenziale è maggiore di 1 LSB a causa di un'inversione di pendenza.
Errori dinamici
modificaTempo di assetto
modificaIl tempo di assetto è il tempo impiegato dall'uscita del convertitore D/A per assestarsi intorno al nuovo valore a seguito di una variazione dell'ingresso. Il transitorio si considera esaurito quando l'uscita inizia ad oscillare intorno al nuovo valore restando entro la fascia legata all'errore di quantizzazione intrinseco.
Glitch
modificaIl glitch si verifica quando l'uscita, nel passaggio da un valore all'altro, assume per breve tempo un valore non desiderato, che può essere anche molto diverso da quelli iniziale e finale.
Il glitch è dovuto alle differenze nei ritardi di commutazione tra un bit e l'altro. Ad esempio, data una variazione dell'ingresso da 0111 a 1000, se il bit più significativo, a causa di una capacità parassita maggiore, commuta più lentamente rispetto agli altri bit, l'uscita temporaneamente assumerà il valore 0000.
Struttura interna
modificaL'uscita analogica A è ottenuta dalla somma delle grandezze elementari in cui la grandezza elettrica di riferimento (tensione o corrente) è stata scomposta dalla rete di peso o a scala:
- grandezze uniformi: 1 1 1 1 1...
oppure - grandezze pesate: 1 2 4 8 16... (codifica binaria)
Strutture a grandezze uniformi
modificaLa rete di peso è composta da resistenze tutte pari a → la corrente in uscita è ottenuta come somma di correnti uguali, inserite o no a seconda del valore dell'ingresso D.
Strutture a grandezze pesate
modificaLa rete di peso è composta da resistenze pesate a multipli di 2 → la corrente in uscita è ottenuta come somma di correnti pesate a multipli di 2, inserite o no a seconda del valore dell'ingresso D.
Il generatore del riferimento ha una resistenza interna, e attraverso di essa scorre una corrente che può variare considerevolmente → usando deviatori di corrente si mantiene costante il carico sul generatore del riferimento.
Le reti di peso richiedono un'ampia dinamica di resistenze (da a ) → la rete a scala permette di ottenere un'ampia dinamica di corrente con due soli valori di resistenza: e .
Scambiando il riferimento e l'uscita si ottengono deviatori di tensione:
- deviatori di corrente: commutano tra punti allo stesso potenziale;
- deviatori di tensione: commutano tra punti a diverso potenziale.
La corrente in uscita può essere tramutata in una tensione in due modi:
- inserendo un amplificatore operazionale;
- ponendo l'uscita a vuoto (si dimostra che i valori assunti dalla tensione di uscita mantengono le proporzionalità).
La rete di peso può utilizzare condensatori anziché resistenze → le grandezze da sommare sono cariche elettriche anziché correnti. Questa tecnica è molto usata nei circuiti integrati, dove è più facile realizzare dei condensatori piuttosto che delle resistenze.
Strutture miste
modificaLe strutture miste prevedono la combinazione di una struttura a grandezze pesate per i bit meno significativi (LSB) e di una struttura a grandezze uniformi per i bit più significativi (MSB), traendo vantaggio dalla elevata precisione delle prime e dalla semplicità delle seconde.
Controllo di guadagno
modificaÈ possibile regolare il guadagno di un amplificatore operazionale ponendo in reazione un convertitore D/A con uscita in corrente, ad esempio per impostare un valore digitale per il volume di un'uscita audio.