El R / 2nR DAC:Convertidor digital a analógico de entrada binaria ponderada

¿Qué es un circuito DAC R / 2nR?

El circuito R / 2nR DAC, también conocido como entrada ponderada binaria DAC, es una variación del circuito de amplificador operacional sumador inversor. (Tenga en cuenta que los circuitos "sumadores" a veces también se denominan circuitos "de verano").

Si recuerda, el circuito sumador inversor clásico es un amplificador operacional que usa retroalimentación negativa para una ganancia controlada, con varias entradas de voltaje y una salida de voltaje. El voltaje de salida es la suma invertida (polaridad opuesta) de todos los voltajes de entrada:

Para un circuito sumador inversor simple, todas las resistencias deben tener el mismo valor. Si cualquiera de las resistencias de entrada fuera diferente, los voltajes de entrada tendrían diferentes grados de efecto en la salida y el voltaje de salida no sería una suma real.

Ejemplo:un DAC R / 2nR con varios valores de resistencia de entrada

Consideremos, sin embargo, configurar intencionalmente las resistencias de entrada en diferentes valores. Supongamos que establecemos los valores de la resistencia de entrada en múltiples potencias de dos:R, 2R y 4R, en lugar de todos con el mismo valor R:

A partir de V ₁ y pasando por V ₃ , esto le daría a cada voltaje de entrada exactamente la mitad del efecto en la salida que el voltaje anterior. En otras palabras, voltaje de entrada V ₁ tiene un efecto de 1:1 en el voltaje de salida (ganancia de 1), mientras que el voltaje de entrada V ₂ tiene la mitad de ese efecto en la salida (una ganancia de 1/2), y V ₃ la mitad de eso (una ganancia de 1/4).

Estas proporciones no se eligieron arbitrariamente:son las mismas proporciones correspondientes a los pesos de lugar en el sistema de numeración binario. Si manejamos las entradas de este circuito con puertas digitales de modo que cada entrada sea 0 voltios o voltaje de suministro completo, el voltaje de salida será una representación analógica del valor binario de estos tres bits.

Si graficamos los voltajes de salida para las ocho combinaciones de bits binarios (000 a 111) de entrada a este circuito, obtendremos la siguiente progresión de voltajes:

 -------------- | Binario | Voltaje de salida | ----------- | 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 | ------------------ 

Tenga en cuenta que con cada paso en la secuencia de conteo binario, se produce un cambio de 1,25 voltios en la salida.

Este circuito es muy fácil de simular usando SPICE. En la siguiente simulación, configuré el circuito DAC con una entrada binaria de 110 (observe los primeros números de nodo para las resistencias R ₁ , R ₂ y R ₃ :un número de nodo de "1" lo conecta al lado positivo de una batería de 5 voltios, y un número de nodo de "0" lo conecta a tierra).

El voltaje de salida aparece en el nodo 6 en la simulación:

 dac ponderado en binario v1 1 0 dc 5 rbogus 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. voltaje del nodo final voltaje del nodo voltaje del nodo (1) 5.0000 (5) 0,0000 (6) -7,5000 

Podemos ajustar los valores de las resistencias en este circuito para obtener voltajes de salida que correspondan directamente a la entrada binaria. Por ejemplo, al hacer que la resistencia de retroalimentación sea de 800 Ω en lugar de 1 kΩ, el DAC generará -1 voltio para la entrada binaria 001, -4 voltios para la entrada binaria 100, -7 voltios para la entrada binaria 111, y así sucesivamente.

 (con resistencia de retroalimentación ajustada a 800 ohmios) ------ | Binario | Voltaje de salida | ---------------- | 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 | ---------------- 

Si deseamos expandir la resolución de este DAC (agregar más bits a la entrada), todo lo que tenemos que hacer es agregar más resistencias de entrada, manteniendo la misma secuencia de valores de potencia de dos:

Cabe señalar que todas las puertas lógicas deben generar exactamente los mismos voltajes cuando están en el estado "alto". Si una puerta emite +5.02 voltios para un "alto" mientras que otra solo emite +4.86 voltios, la salida analógica del DAC se verá afectada negativamente.

Asimismo, todos los niveles de voltaje "bajo" deben ser idénticos entre las puertas, idealmente 0.00 voltios exactamente. Se recomienda que se utilicen puertas de salida CMOS y que los valores de resistencia de entrada / retroalimentación se elijan para minimizar la cantidad de corriente que cada puerta tiene que generar o disipar.