De R/2nR DAC:Binary-Weighted-Input digitaal-naar-analoog converter

Wat is een R/2nR DAC-circuit?

Het R/2nR DAC-circuit, ook wel bekend als de binary-weighted-input DAC is een variatie op het inverterende op-amp-circuit. (Merk op dat "optel"-circuits soms ook "zomer"-circuits worden genoemd.)

Als u zich herinnert, is het klassieke inverterende sommeringscircuit een operationele versterker die negatieve feedback gebruikt voor gecontroleerde versterking, met verschillende spanningsingangen en één spanningsuitgang. De uitgangsspanning is de omgekeerde (tegengestelde polariteit) som van alle ingangsspanningen:

Voor een eenvoudig inverterend optelcircuit moeten alle weerstanden van gelijke waarde zijn. Als een van de ingangsweerstanden anders zou zijn, zouden de ingangsspanningen verschillende mate van effect hebben op de uitgang en zou de uitgangsspanning geen echte som zijn.

Voorbeeld:een R/2nR DAC met meerdere ingangsweerstandswaarden

Laten we echter overwegen om de ingangsweerstanden opzettelijk op verschillende waarden in te stellen. Stel dat we de ingangsweerstandswaarden zouden instellen op meerdere machten van twee:R, 2R en 4R, in plaats van allemaal dezelfde waarde R:

Vanaf V₁ en door V₃ . gaan , dit zou elke ingangsspanning precies de helft van het effect op de uitgang geven als de spanning ervoor. Met andere woorden, ingangsspanning V₁ heeft een 1:1 effect op de uitgangsspanning (versterking van 1), terwijl ingangsspanning V₂ heeft de helft zoveel effect op de output (een versterking van 1/2), en V₃ de helft daarvan (een winst van 1/4).

Deze verhoudingen zijn niet willekeurig gekozen:het zijn dezelfde verhoudingen die overeenkomen met het plaatsen van gewichten in het binaire nummeringssysteem. Als we de ingangen van dit circuit met digitale poorten aansturen, zodat elke ingang 0 volt of volledige voedingsspanning is, zal de uitgangsspanning een analoge weergave zijn van de binaire waarde van deze drie bits.

Als we de uitgangsspanningen in kaart brengen voor alle acht combinaties van binaire bits (000 tot en met 111) die in dit circuit worden ingevoerd, krijgen we het volgende verloop van spanningen:

-------------- | Binair | Uitgangsspanning | ----------- | 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 | ------------------ 

Merk op dat bij elke stap in de binaire telreeks er een verandering van 1,25 volt in de uitvoer resulteert.

Deze schakeling is heel eenvoudig te simuleren met SPICE. In de volgende simulatie heb ik het DAC-circuit opgezet met een binaire ingang van 110 (let op de eerste knooppuntnummers voor weerstanden R₁ , R₂ , en R₃ :een knooppuntnummer "1" verbindt het met de positieve kant van een 5 volt-batterij en een knooppuntnummer "0" verbindt het met aarde).

De uitgangsspanning verschijnt op knooppunt 6 in de simulatie:

binair gewogen dac 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 .end node voltage node voltage node voltage (1) 5.0000 (5) 0,0000 (6) -7,5000 

We kunnen weerstandswaarden in dit circuit aanpassen om uitgangsspanningen te verkrijgen die rechtstreeks overeenkomen met de binaire ingang. Door bijvoorbeeld de feedbackweerstand 800 te maken in plaats van 1 kΩ, zal de DAC -1 volt uitvoeren voor de binaire ingang 001, -4 volt voor de binaire ingang 100, -7 volt voor de binaire ingang 111, enzovoort.

(met feedbackweerstand ingesteld op 800 ohm) ------ | Binair | Uitgangsspanning | ---------------- | 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 | ---------------- 

Als we de resolutie van deze DAC willen uitbreiden (meer bits aan de ingang toevoegen), hoeven we alleen maar meer ingangsweerstanden toe te voegen, waarbij we dezelfde macht-van-twee reeks waarden aanhouden:

Opgemerkt moet worden dat alle logische poorten in de "hoge" toestand exact dezelfde spanningen moeten afgeven. Als een poort +5,02 volt levert voor een "high" terwijl een andere slechts +4,86 volt levert, wordt de analoge output van de DAC nadelig beïnvloed.

Evenzo moeten alle "lage" spanningsniveaus identiek zijn tussen poorten, idealiter precies 0,00 volt. Het wordt aanbevolen om CMOS-uitgangspoorten te gebruiken en dat de ingangs-/feedbackweerstandswaarden worden gekozen om de hoeveelheid stroom die elke poort moet leveren of afvoeren tot een minimum te beperken.