O R / 2nR DAC:Conversor Digital-Analógico de Entrada Binária Ponderada

O que é um circuito R / 2nR DAC?

O circuito R / 2nR DAC, também conhecido como entrada binária ponderada DAC, é uma variação do circuito amplificador operacional somador inversor. (Observe que os circuitos de "soma" às vezes também são chamados de circuitos de "verão".)

Se você se lembra, o circuito somador inversor clássico é um amplificador operacional que usa feedback negativo para ganho controlado, com várias entradas de tensão e uma saída de tensão. A tensão de saída é a soma invertida (polaridade oposta) de todas as tensões de entrada:







Para um circuito somador inversor simples, todos os resistores devem ter o mesmo valor. Se qualquer um dos resistores de entrada fosse diferente, as tensões de entrada teriam diferentes graus de efeito na saída e a tensão de saída não seria uma soma verdadeira.

Exemplo:um DAC R / 2nR com vários valores de resistor de entrada

Vamos considerar, no entanto, definir intencionalmente os resistores de entrada em valores diferentes. Suponha que devamos definir os valores do resistor de entrada em várias potências de dois:R, 2R e 4R, em vez de todos com o mesmo valor R:







A partir de V ₁ e passando por V ₃ , isso daria a cada tensão de entrada exatamente a metade do efeito na saída da tensão anterior. Em outras palavras, tensão de entrada V ₁ tem um efeito de 1:1 na tensão de saída (ganho de 1), enquanto a tensão de entrada V ₂ tem metade desse efeito na saída (um ganho de 1/2) e V ₃ metade disso (um ganho de 1/4).

Essas proporções não foram escolhidas arbitrariamente:são as mesmas proporções que correspondem a pesos de posição no sistema de numeração binário. Se acionarmos as entradas desse circuito com portas digitais de modo que cada entrada seja 0 volts ou tensão de alimentação total, a tensão de saída será uma representação analógica do valor binário desses três bits.







Se mapearmos as tensões de saída para todas as oito combinações de bits binários (000 a 111) de entrada para este circuito, obteremos a seguinte progressão de tensões:

 -------------- | Binário | Tensão de saída | ----------- | 000 | 0,00 V | -------------- | 001 -1,25 V | ------------------ | 010 -2,50 V | -------------- | 011 -3,75 V | ------------------ | 100 -5,00 V | -------------- | 101 -6,25 V | ------------------ | 110 -7,50 V | -------------- | 111 -8,75 V | ------------------ 

Observe que, a cada etapa da sequência de contagem binária, ocorre uma mudança de 1,25 volt na saída.

Este circuito é muito fácil de simular usando SPICE. Na simulação a seguir, configurei o circuito DAC com uma entrada binária de 110 (observe os primeiros números de nó para resistores R ₁ , R ₂ e R ₃ :um número de nó de “1” o conecta ao lado positivo de uma bateria de 5 volts, e um número de nó de “0” o conecta ao aterramento).

A tensão de saída aparece no nó 6 na simulação:

 dac v1 1 0 dc 5 rbogus binário ponderado 1 0 99k r1 1 5 1k r2 1 5 2k r3 0 5 4k rfeedbk 5 6 1k e1 6 0 5 0 999k .end nó tensão nó nó tensão nó (1) 5,0000 (5) 0,0000 (6) -7,5000 

Podemos ajustar os valores dos resistores neste circuito para obter tensões de saída correspondentes diretamente à entrada binária. Por exemplo, ao fazer o resistor de feedback 800 Ω em vez de 1 kΩ, o DAC produzirá -1 volt para a entrada binária 001, -4 volts para a entrada binária 100, -7 volts para a entrada binária 111 e assim por diante.

 (com resistor de feedback definido para 800 ohms) ------ | Binário | Tensão de saída | ---------------- | 000 | 0,00 V | ------------ | 001 -1,00 V | ---------------- | 010 -2,00 V | ------------ | 011 -3,00 V | ---------------- | 100 -4,00 V | ------------ | 101 -5,00 V | ---------------- | 110 -6,00 V | ------------ | 111 -7,00 V | ---------------- 

Se quisermos expandir a resolução deste DAC (adicionar mais bits à entrada), tudo o que precisamos fazer é adicionar mais resistores de entrada, mantendo a mesma sequência de dois valores:





Deve-se observar que todas as portas lógicas devem produzir exatamente as mesmas tensões quando no estado “alto”. Se uma porta está emitindo +5,02 volts para um “alto” enquanto outra está produzindo apenas +4,86 volts, a saída analógica do DAC será afetada adversamente.

Da mesma forma, todos os níveis de tensão “baixa” devem ser idênticos entre as portas, idealmente exatamente 0,00 volts. Recomenda-se o uso de portas de saída CMOS e que os valores do resistor de entrada / realimentação sejam escolhidos de forma a minimizar a quantidade de corrente que cada porta deve fornecer ou dissipar.