Обзор отечественных ЦАП производства АО «Ангстрем»

2022-11-19

Е. Трудновская, АО «Ангстрем», начальник отдела аналого-цифровых и специальных схем, diamond@angstrem.ru

С. Клейн, АО «Ангстрем», начальник отдела маркетинга и корпоративных коммуникаций, klein@angstrem.ru

УДК 621.3
ВАК 05.27.01

АО «Ангстрем» на постоянной основе ведет разработки новых изделий. За 2021 год было разработано 150 новых микросхем, 29 из которых уже освоены в серийном производстве. В числе новых серийных изделий, освоенных в 2022 году – шесть новых типов (10 типономиналов) микросхем цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) для замены импортных микросхем DAC0808, MC1508 компании National Semiconductor и DAC8412, DAC8413 компании Analog Devices. О ряде новых ЦАП производства АО «Ангстрем» рассказывается в статье.

Цифро-аналоговые преобразователи являются важным «мостом» между цифровой и аналоговой частью многих устройств: они могут выступать связующим звеном между ЭВМ и объектом управления в системах автоматического управления, быть генератором аналогового сигнала, генерируемого методом прямого цифрового синтеза (DDS), входить в состав оборудования технологического контроля. От доступности, точности и быстродействия ЦАП во многом зависят функциональность и характеристики конечного устройства. Для изделий специального назначения большую важность приобретает надежность ЦАП, стабильность его параметров в экстремальных температурных и радиационных условиях.

Рисунок 1. ЦАП 5023НА03

АО «Ангстрем» разработало линейку цифро-аналоговых преобразователей (табл. 1), способных успешно заменить популярные импортные микросхемы. Новая серия отечественных микросхем не уступает импортным функциональным аналогам по характеристикам, а по параметрам стойкости к экстремальным факторам окружающей среды существенно их превосходит.

**Таблица 1. Серии ЦАП производства АО «Ангстрем»**
Наименование	Аналоги	Каналы	Разряд-ность, бит	Макс. напр. питания, В	Мин. напр. питания, В	Корпус	Функциональное назначение
К5023НА024 (гражданское исполнение)	DAC0808, MC1508	1	8	5	-15	4307.16-А (SOP-16)	с параллельным интерфейсом ввода данных и токовым выходом
5023НА024	DAC0808, MC1508	1	8	5	-15	4307.16-А (SOP-16)	с параллельным интерфейсом ввода данных и токовым выходом
5023НА025	DAC0808, MC1508	1	8	5	-15	Н04.16-1В	с параллельным интерфейсом ввода данных и токовым выходом
5023НА03А4, 5023НА03В4	DAC8412	4	12	15	-15	4183.28-5К	с параллельным интерфейсом ввода данных со сбросом в середину шкалы и выходом по напряжению
5023НА03А5, 5023НА03В5	DAC8412	4	12	15	-15	Н09.28-1В
5023НА04А4, 5023НА04В4	DAC8413	4	12	15	-15	4183.28-5К	с параллельным интерфейсом ввода данных со сбросом в ноль шкалы и выходом по напряжению
5023НА04А5, 5023НА04В5	DAC8413	4	12	15	-15	Н09.28-1В

Одноканальные 8-разрядные ЦАП 5023НА024, 5023НА025

Микросхемы 5023НА024/25 представляют собой 8-разрядный одноканальный ЦАП с токовым выходом, с параллельным интерфейсом ввода данных. Они предназначены для преобразования 8-разрядного прямого двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе, который пропорционален значениям входного кода и опорного тока. При подключении внешнего операционного усилителя микросхемы превращаются в ЦАП с выходом по напряжению. Микросхемы имеют ТТЛ- и КМОП-совместимые цифровые входы. Структурная электрическая схема 5023НА024, 5023НА025 приведена на рис. 2., нумерация, обозначение и наименование выводов – в табл. 2.

Относительно простые и недорогие микросхемы 5023НА024/25 являются функциональным аналогом DAC0808 (National Semiconductor) и MC1508 (Philips Semiconductors).

Электрические параметры 5023НА024, 5023НА025

Диапазон изменения выходного напряжения, UO
- не менее-0,55 В,
- не менее0,4 В;
Входной ток высокого уровня цифровых входов, I_IH< 0,04 мА
Входной ток низкого уровня цифровых входов,I_IL< |-0,7| мА
Смещение опорного входного тока, I_VREF–< |-1,5| мкА
Диапазон выходных токов,I_OR0 – 2,1 мА
Выходной ток при высоком уровне входных сигналов,I_{O_FS}1,93 – 2,07 мА
Выходной ток при низком уровне входных сигналов, I_{O_ZS}< 3 мкА
Ток потребления от источника U_CC1,I_CC1< 8 мА
Ток потребления от источника U_CC_2,I_CC₂< |–8| мА
Время установления сигнала до ½ EMP (единица младшего разряда), t_S< 360 нс
Время задержки распространения сигнала при переключении входного сигнала из низкого в высокий уровень, t_PLH< 100 нс;
Время задержки распространения сигнала при переключении входного сигнала из высокого в низкий уровень, t_PHL< 100 нс;
Относительная погрешность, E_r< 0,17 %
Скорость нарастания опорного тока, SRI_REF> 4 мА/мкс
Номинальное напряжение питания:
- положительное+5 В,
- отрицательноеот -5 до -15 В

Предельно-допустимые режимы эксплуатации микросхем в диапазоне рабочих температур среды

Напряжение питания, U_CC₁4,5 – 5,5 В
Напряжение питания, U_CC₂-16,5 – -4,5 В
Входное напряжение высокого уровня на входах А1 – А8, U_I_Н> 2 В
Входное напряжение низкого уровня на входах А1 – А8, U_IL< 0,8 В
Напряжение на входах опорного усилителя, U_IREF₊, U_IREF_--16,5 – 5,5 В

Рис. 2. Структурная электрическая схема (а) и условное графическое изображение (б) 5023НА024, 5023НА025.

**Таблица 2. Нумерация, обозначение и наименование выводов микросхемы 5023НА024 и 5023НА025**
Номер вывода	Обозначение вывода	Функциональное назначение
1	V_CC₁	Вывод питания от источника положительного напряжения
2	V_REF+	Вывод положительного источника опорного напряжения
3	V_REF-	Вывод отрицательного источника опорного напряжения
4	Compen	Компенсационный вывод
6	GND	Общий вывод
7	V_сс2	Вывод питания от источника отрицательного напряжения
8	I_О	Токовый выход
9	A1	Цифровой вход 1 (старший значащий бит)
10	A2	Цифровой вход 2
11	A3	Цифровой вход 3
12	A4	Цифровой вход 4
13	A5	Цифровой вход 5
14	A6	Цифровой вход 6
15	A7	Цифровой вход 7
16	A8	Цифровой вход 8 (младший значащий бит)

4-х канальные 12-разрядные ЦАП 5023НА03А4, 5023НА03В4, 5023НА04А4, 5023НА04В4, 5023НА03А5, 5023НА03В5, 5023НА04А5, 5023НА04В5

Микросхемы 5023НА03/04 представляют собой четырехканальные 12-разрядные ЦАП с выходом по напряжению, с параллельным интерфейсом ввода данных, с обратным считыванием, со сбросом в середину или в ноль шкалы. Микросхемы выполнены в однокристальном исполнении, содержат входной и выходной регистры, схему управления, преобразователь уровня, матрицу резисторов R-2R, а также выходной буферный усилитель для каждого канала ЦАП. Уникальной особенностью ЦАП 5023НА03А4, 5023НА03В4, 5023НА04А4, 5023НА04В4, 5023НА03А5, 5023НА03В5, 5023НА04А5, 5023НА04В5 является возможность работы от одного источника питания с напряжением 5 В.

Структурная электрическая схема 5023НА03А4, 5023НА03В4, 5023НА04А4, 5023НА04В4, 5023НА03А5, 5023НА03В5, 5023НА04А5, 5023НА04В5 приведена на рис. 3., нумерация, обозначение и наименование выводов микросхемы – в табл. 3.

Рис. 3. Структурная электрическая схема (а) и условное графическое изображение (б) микросхем 5023НА03А4, 5023НА03В4, 5023НА04А4, 5023НА04В4, 5023НА03А5, 5023НА03В5, 5023НА04А5, 5023НА04В5

**Таблица 3. Нумерация, обозначение и наименование выводов микросхемы 5023НА034/5, 5023НА044/5.**
Номер вывода	Обозначение вывода	Функциональное назначение
1	VREFH	Вывод подключения источника опорного напряжения положительной полярности
2	VOUTB	Выход по напряжению канала B
3	VOUTA	Выход по напряжению канала A
4	VCC2	Вывод отрицательного напряжения питания аналоговой части
5	DGND	Общий вывод цифровой части
6	NRESET	Вход сброса
7	NLDAC	Вход загрузки данных в ЦАП
8	DB0	Вывод 0-го бита данных (МЗР – младший значащий разряд)
9	DB1	Вывод 1-го бита данных
10	DB2	Вывод 2-го бита данных
11	DB3	Вывод 3-го бита данных
12	DB4	Вывод 4-го бита данных
13	DB5	Вывод 5-го бита данных
14	DB6	Вывод 6-го бита данных
15	DB7	Вывод 7-го бита данных
16	DB8	Вывод 8-го бита данных
17	DB9	Вывод 9-го бита данных
18	DB10	Вывод 10-го бита данных
19	DB11	Вывод 11-го бита данных, (СЗР – старший значащий разряд)
20	R/NW	Вход чтения/записи данных
21	A1	Вход 1 адресного бита
22	A0	Вход 0 адресного бита
23	NCS	Вход выбора кристалла
24	VCCD	Вывод положительного напряжения питания цифровой части
25	VCC1	Вывод положительного напряжения питания аналоговой части
26	VOUTD	Выход по напряжению канала D
27	VOUTC	Выход по напряжению канала C
28	VREFL	Вывод подключения источника опорного напряжения отрицательной полярности

Микросхемы отличаются по точностным параметрам и разделены на две группы: А и В:

Группа А:

ошибка смещения нуля шкалы< ±2,5 ЕМР;
ошибка полной шкалы< ±2,5 ЕМР;
дифференциальная нелинейность не более±3,5 ЕМР;
интегральная нелинейность не более±3 ЕМР;

Группа В:

ошибка смещения нуля шкалы< ±5 ЕМР;
ошибка полной шкалы< ±5 ЕМР;
дифференциальная нелинейность не более±5 ЕМР;
интегральная нелинейность не более±5 ЕМР;

Ключевые характеристики микросхем 5023НА03А4, 5023НА03В4, 5023НА04А4, 5023НА04В4, 5023НА03А5, 5023НА03В5, 5023НА04А5, 5023НА04В5:

работа в однополярном режиме с напряжением питания 5 В;
работа в двухполярном режиме с напряжением питания от ±5 до ±15 В и опорным напряжением от ±2,5 до ±10 В;
напряжение питания логической части 5 В;
буферизированное выходное напряжение;
входы с двойной буферизацией;
сброс в ноль шкалы или в середину шкалы;
время установления выходного сигнала – 25 мкс;
обратное считывание;
температурный диапазон: от -60 до 125°С.

Входы выбора входного регистра, A0 и A1, (Таблица 3.) выбирают конкретный ЦАП с регистрами от A (двоичный код 00) до D (двоичный код 11) включительно. Декодирование входных регистров осуществляется входом выбора кристалла NCS. Когда NCS находится в состоянии высокого уровня, декодирования не происходит, ни один из входных регистров не доступен ни для записи, ни для чтения.

Вход чтения/записи R/NW, контролирует запись и чтение из входных регистров. Загрузка выходных регистров управляется асинхронным входом NLDAC. В состоянии низкого уровня NLDAC и при условии, что вход NCS активирован, все выходные регистры могут обновляться одновременно с входными регистрами. Все регистры могут быть сброшены при необходимости с помощью входа NRESET. Входные данные подаются и считываются с выводов DB0 – DB11.

**Таблица 4. Таблица истинности для цифровых управляющих логических сигналов.**
A1	A0	R/NW	NCS	NRESET	NLDAC	Микросхема	Входной регистр	Выходной регистр	Режим	Канал ЦАП
L	L	L	L	H	L	5023НА03А4, 5023НА03В4, 5023НА04А4, 5023НА04В4, 5023НА03А5, 5023НА03В5, 5023НА04А5, 5023НА04В5	Запись	Запись	Прямая запись¹⁾	A
L	H	L	L	H	L		Запись	Запись	Прямая запись¹⁾	B
H	L	L	L	H	L		Запись	Запись	Прямая запись¹⁾	C
H	H	L	L	H	L		Запись	Запись	Прямая запись¹⁾	D
L	L	L	L	H	H		Запись	Хранение	Буферизованная запись²⁾	A
L	H	L	L	H	H		Запись	Хранение	Буферизованная запись²⁾	B
H	L	L	L	H	H		Запись	Хранение	Буферизованная запись²⁾	C
H	H	L	L	H	H		Запись	Хранение	Буферизованная запись²⁾	D
L	L	H	L	H	H		Чтение	Хранение	Чтение входных данных³⁾	A
L	H	H	L	H	H		Чтение	Хранение	Чтение входных данных³⁾	B
H	L	H	L	H	H		Чтение	Хранение	Чтение входных данных³⁾	C
H	H	H	L	H	H		Чтение	Хранение	Чтение входных данных³⁾	D
X	X	X	H	H	L		Хранение	Обновление всех выходных регистров	–	Все
X	X	X	H	H	H		Хранение	Хранение	Хранение	Все
X	X	X	X	L	X	5023НА03А4, 5023НА03В4, 5023НА03А5, 5023НА03В5	Все регистры сбрасываются в середину шкалы		–	Все
X	X	X	H	↑	X	5023НА03А4, 5023НА03В4, 5023НА03А5, 5023НА03В5	Все регистры фиксируются в середину шкалы		–	Все
X	X	X	X	L	X	5023НА04А4, 5023НА04В4, 5023НА04А5, 5023НА04В5	Все регистры сбрасываются в ноль шкалы		–	Все
X	X	X	H	↑	X	5023НА04А4, 5023НА04В4, 5023НА04А5, 5023НА04В5	Все регистры фиксируются в ноль шкалы		–	Все
___________ ¹⁾ Запись, когда входные данные записываются во входной и выходной регистры одновременно и передаются в виде аналогового сигнала на выход ЦАП; ²⁾ Запись, когда входные данные записываются в промежуточный входной регистр; ³⁾ Чтение предварительно записанных данных из входного регистра. L = логический «0»; H = логическая «1»; X = неопределённое логическое состояние.

запись данных во входной и выходной регистры

работа ЦАП в режиме поочередной записи каждого канала

работа ЦАП в режиме одновременной записи всех каналов

Рис. 4. Типовые временные диаграммы работы ЦАП: а – запись данных во входной и выходной регистры; б – чтение данных из входного регистра; в – работа ЦАП в режиме поочередной записи каждого канала; г – работа ЦАП в режиме одновременной записи всех каналов.

Обозначения в рисунке 4:

t_W_N_CS - длительность импульса записи по входу NCS;

t_WS - время установки сигнала записи по входу R/NW;

t_WH - время удержания сигнала записи по входу R/NW;

t_A_S - время установки сигнала адреса по входам A0 и A1;

t_A_H - время удержания сигнала адреса по входам A0 и A1;

t_L_S - время установки сигнала загрузки по входу NLDAC;

t_L_H - время удержания сигнала загрузки по входу NLDAC;

t_WD_S - время установки сигнала записи данных по выводам DB0-DB11;

t_WD_H - время удержания сигнала записи данных по выводам DB0-DB11;

t_LDW - длительность импульса загрузки по входу NLDAC;

t_NRESET - длительность импульса сброса по входу NRESET;

t_RNC_S - длительность импульса чтения по входу NCS;

t_RDS - время установки сигнала чтения по входу R/NW;

t_RDH - время удержания сигнала чтения по входу R/NW;

t_NCSD - время задержки выдачи данных по выводам DB0-DB11 после прихода импульса NCS;

t_DZ - время задержки перехода данных в высокоимпедансное Z-состояние по выводам DB0-DB11;

DATA IN - входная 12-разрядная шина данных (выводы DB0-DB11);

DATA OUT - выходная 12-разрядная шина данных (выводы DB0-DB11);

ADDRESS - адресная шина (выводы A0 и A1);

DATA VALID - достоверные данные, считываемые из входного регистра;

ADDRESS ONE - адрес входного регистра канала A (комбинация A0 = 0, A1 = 0);

ADDRESS TWO - адрес входного регистра канала B (комбинация A0 = 1, A1 = 0);

ADDRESS THREE - адрес входного регистра канала C (комбинация A0 = 0, A1 = 1);

ADDRESS FOUR - адрес входного регистра канала D (комбинация A0 = 1, A1 = 1);

DATA1 VALID - достоверные данные, записываемые во входной регистр канала A;

DATA2 VALID - достоверные данные, записываемые во входной регистр канала B;

DATA3 VALID - достоверные данные, записываемые во входной регистр канала C;

DATA4 VALID - достоверные данные, записываемые во входной регистр канала D.

Заключение

Замена импортных компонентов на отечественные с такими же характеристиками, безусловно, необходимая и важная работа. Возможности АО «Ангстрем», однако, этим отнюдь не ограничиваются. АО «Ангстрем» имеет все возможности разрабатывать новые электронные компоненты, идеально подходящие по своим характеристикам к разрабатываемым и перспективным конечным изделиям. Мы приглашаем российские компании к совместной опытно-конструкторской разработке аналоговых микросхем с требуемыми характеристиками.

Только опережающее развитие электронных компонентов, направленное на создание новых максимально эффективных устройств и систем является путем устойчивого развития.