ЦАП R / 2nR:цифро-аналоговый преобразователь с двоично-взвешенным входом

Что такое схема ЦАП с R / 2nR?

Схема ЦАП R / 2nR, также известная как двоично-взвешенный вход ЦАП представляет собой разновидность схемы инвертирующего суммирующего операционного усилителя. (Обратите внимание, что «суммирующие» схемы иногда также называют «летними» схемами.)

Если вы помните, классическая инвертирующая схема суммирования представляет собой операционный усилитель, использующий отрицательную обратную связь для контролируемого усиления, с несколькими входами напряжения и одним выходом напряжения. Выходное напряжение - это перевернутая (противоположная полярность) сумма всех входных напряжений:

В простой инвертирующей суммирующей схеме все резисторы должны быть одинаковой номинальной стоимости. Если бы какие-либо из входных резисторов были разными, входные напряжения имели бы разную степень влияния на выход, и выходное напряжение не было бы истинной суммой.

Пример:ЦАП R / 2nR с несколькими номиналами входного резистора

Давайте рассмотрим, однако, намеренную установку входных резисторов на разные значения. Предположим, мы должны были установить значения входного резистора на несколько степеней двойки:R, 2R и 4R, вместо того же значения R:

Начиная с V ₁ и проходя через V ₃ , это даст каждому входному напряжению ровно половину влияния на выход, чем напряжение перед ним. Другими словами, входное напряжение V ₁ имеет влияние 1:1 на выходное напряжение (коэффициент усиления 1), в то время как входное напряжение V ₂ имеет вдвое меньшее влияние на выход (усиление 1/2), а V ₃ половина от этого (прирост 1/4).

Эти соотношения не были выбраны произвольно:это те же самые соотношения, которые соответствуют весам в двоичной системе счисления. Если мы запустим входы этой схемы цифровыми вентилями так, чтобы на каждом входе было либо 0 вольт, либо полное напряжение питания, выходное напряжение будет аналоговым представлением двоичного значения этих трех битов.

Если мы построим диаграмму выходных напряжений для всех восьми комбинаций двоичных разрядов (от 000 до 111), вводимых в эту схему, мы получим следующую последовательность напряжений:

 -------------- | Двоичный | Выходное напряжение | ----------- | 000 | 0,00 В | -------------- | 001 | -1,25 В | ------------------ | 010 | -2,50 В | -------------- | 011 | -3,75 В | ------------------ | 100 | -5.00 В | -------------- | 101 | -6,25 В | ------------------ | 110 | -7,50 В | -------------- | 111 | -8,75 В | ------------------ 

Обратите внимание, что с каждым шагом в последовательности двоичного счета происходит изменение выходного напряжения на 1,25 В.

Эту схему очень легко смоделировать с помощью SPICE. В следующем моделировании я установил схему ЦАП с двоичным входом 110 (обратите внимание на номера первых узлов для резисторов R ₁ , R ₂ , и R ₃ :номер узла «1» подключает его к положительной стороне 5-вольтовой батареи, а номер узла «0» подключает его к земле).

Выходное напряжение появляется в узле 6 моделирования:

 двоично-взвешенный ЦАП 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. конечное напряжение узла напряжение узла напряжение узла (1) 5.0000 (5) 0,0000 (6) -7,5000 

Мы можем отрегулировать номиналы резисторов в этой схеме, чтобы получить выходное напряжение, непосредственно соответствующее двоичному входу. Например, если сделать резистор обратной связи 800 Ом вместо 1 кОм, ЦАП будет выдавать -1 В для двоичного входа 001, -4 В для двоичного входа 100, -7 В для двоичного входа 111 и так далее.

 (с резистором обратной связи, установленным на 800 Ом) ------ | Двоичный | Выходное напряжение | ---------------- | 000 | 0,00 В | ------------ | 001 | -1.00 В | ---------------- | 010 | -2.00 В | ------------ | 011 | -3.00 В | ---------------- | 100 | -4.00 В | ------------ | 101 | -5.00 В | ---------------- | 110 | -6.00 В | ------------ | 111 | -7.00 В | ---------------- 

Если мы хотим расширить разрешение этого ЦАП (добавить больше битов на вход), все, что нам нужно сделать, это добавить больше входных резисторов, сохраняя ту же последовательность значений степени двойки:

Следует отметить, что все логические элементы должны выдавать одно и то же напряжение в состоянии «высокий». Если один вентиль выдает +5,02 В для «высокого», а другой - только +4,86 В, это отрицательно скажется на аналоговом выходе ЦАП.

Точно так же все «низкие» уровни напряжения между затворами должны быть одинаковыми, в идеале - ровно 0,00 вольт. Рекомендуется использовать выходные вентили КМОП и выбирать значения входного резистора / резистора обратной связи таким образом, чтобы минимизировать величину тока, который каждый вентиль должен принимать или принимать.