Convertoarele digital-analogice, sau DAC, așa cum sunt mai cunoscute, sunt opusul convertoarelor analogic-digitale pe care le-am analizat într-un tutorial anterior. DAC-urile convertesc numere și coduri binare sau ne-binare în unele analogice cu tensiunea (sau curentul) de ieșire fiind proporțională cu valoarea numărului său de intrare digitală. De exemplu, putem avea un circuit logic digital pe 4 biți care variază de la 0000 la 11112, (0 la F16) pe care un DAC îl convertește într-o ieșire de tensiune cuprinsă între 0 și 10V.

Conversia unui cod de intrare digital „n”-bit într-o tensiune de ieșire analogică echivalentă între 0 și o anumită valoare VMAX se poate face în mai multe moduri, dar cele mai comune și ușor de înțeles metode de conversie utilizează rezistoare de ponderare și un amplificator sumator, sau o rețea scară cu rezistoare R-2R și un amplificator operațional. Ambele metode de conversie digital-analogică produc o ieșire sumă ponderată, cu ponderile stabilite de valorile rezistive utilizate în rețelele scară contribuind cu o cantitate „ponderată” diferit la ieșirea semnalelor.

Am văzut în secțiunea despre amplificatoare operaționale că un amplificator inversor folosește feedback negativ pentru a reduce câștigul său în buclă-deschisă, AOL și face acest lucru trimițând o fracțiune din semnalul său de ieșire înapoi la intrare. Am văzut, de asemenea, că tensiunea de intrare VIN este conectată direct la intrarea sa inversoare printr-un rezistor RIN și cum câștigul de tensiune în buclă închisă al amplificatoarelor inversoare, AV(CL), este determinat de raportul acestor două rezistoare, așa cum se arată.

Circuitul amplificatorului operațional inversor

Putem vedea că VOUT este dat ca VIN înmulțit cu Câștigul în buclă închisă (ACL), care este determinat de raportul dintre rezistența de feedback, RF și rezistența de intrare, RIN. Deci, modificând valorile RF sau RIN putem schimba câștigul în buclă închisă al amplificatorului operațional și, prin urmare, valoarea lui VOUT (IF*RF) pentru un semnal de intrare dat. Aici, în acest exemplu de amplificator operațional inversor, am folosit un singur semnal de tensiune de intrare, dar dacă am adăuga un alt rezistor de intrare pentru a combina două sau mai multe semnale analogice într-o singură ieșire, care ar fi efectul asupra circuitului și câștigul acestuia?

Amplificator sumator convertor digital-analogic

Prin conectarea mai multor intrări la terminalul negativ al amplificatorului operațional, putem converti circuitul cu o singură intrare de mai sus într-un amplificator sumator sau, mai precis, un circuit „amplificator de tensiune inversor sumator”.

Deoarece feedback-ul negativ creat de rezistorul de feedback, RF polarizează intrarea inversoare a amplificatorului opțional la potențial zero, orice semnal de intrare este efectiv izolat electric unul de celălalt, iar ieșirea fiind suma inversată a tuturor semnalelor de intrare combinate. Astfel, un amplificator sumator în modul inversor produce suma negativă a oricărui număr de tensiuni de intrare, în timp ce un amplificator sumator neinversor ar produce suma pozitivă a oricărui număr de tensiuni de intrare. Luați în considerare circuitul de mai jos.

Circuitul amplificatorului sumator inversor

În circuitul amplificator sumator de mai sus, tensiunea de ieșire, (VOUT) este proporțională cu suma celor patru tensiuni de intrare, VIN1, VIN2, VIN3 și VIN4 și putem modifica ecuația originală pentru configurația amplificatorului inversor de mai sus pentru a ține seama de aceste patru noi valori de intrare după cum urmează:

Atunci putem vedea că tensiunea de ieșire este o sumă inversată, scalată a celor patru tensiuni de intrare, deoarece fiecare tensiune de intrare este înmulțită cu câștigul corespunzător și adăugată la următoarea pentru a produce ieșirea totală. Dacă toate rezistențele sunt aceleași și de o valoare egală, adică: RF = R1 = R2 = R3 = R4, atunci fiecare canal de intrare va avea un câștig de tensiune în buclă închisă unitar (1) deci tensiunea de ieșire este dată pur și simplu de:

VOUT = - (VIN1 + VIN2 + VIN3 + VIN4)

Dacă presupunem acum că cele patru intrări ale amplificatorului sumator sunt intrări binare cu valori de tensiune de 0 sau 5 volți (LOW sau HIGH, 0 sau 1) și dublăm valorile rezistive ale fiecărui rezistor de intrare în raport cu precedentul, putem produce o condiție de ieșire care ar fi suma ponderată a acestor patru tensiuni de intrare creând circuitul de bază pentru un convertor digital-analogic ponderat binar pe 4 biți sau convertor D/A ponderat pe 4 biți.

Etichetând cele patru intrări sumatoare cu A, B, C, D și făcând RF = 1kΩ, cu cele patru rezistoare de intrare variind de la 1kΩ la 8kΩ (sau multipli ai acestora), putem construi un circuitul de convertor digital-analogic ponderat binar pe 4 biți așa cum se arată.

Convertor digital-analogic ponderat binar pe 4 biți

Pentru un număr binar de 4 biți există 2⁴ = 16 combinații posibile sau A, B, C și D variind de la 00002 la 11112, care corespunde zecimal lui 0 la 15 respectiv. Dacă facem ponderea fiecărui bit de intrare dublă față de celălalt, ajungem cu un raport de cod binar 8-4-2-1 corespunzător lui 2³, 2², 2¹ și 2⁰.

Deci, dacă stabilim rezistența de intrare „D” la 1 kΩ, rezistența de intrare „C” la 2 kΩ (adică dublul lui D), rezistența de intrare „B” la 4 kΩ (dublu C) și rezistența de intrare „A” la 8 kΩ (dublu B), cu rezistența de feedback RF setată din nou la 1 kΩ, atunci caracteristica de transfer a convertorului digital-analog ponderat binar pe 4 biți ar fi:

Caracteristica de transfer a DAC 4-biți

Deci, putem vedea că, dacă o tensiune TTL de +5 volți (1 logic) este aplicată la intrarea amplificatoarelor de însumare VD, care reprezintă cel mai semnificativ bit (MSB), câștigul amplificatorului va fi RF/R4 = 1kΩ/1kΩ = 1 (unitate). Astfel, cu un cod binar de 4 biți 1000 aplicat, ieșirea circuitului convertor digital-analogic va fi de -5 volți. Similar, dacă +5 volți (1 logic) se aplică la intrarea amplificatoarelor sumatoare VC, câștigul amplificatorului va fi RF/R3 = 1kΩ/2kΩ = 1/2 (o jumătate). Deci, codul binar de 4 biți 0100 ar produce o tensiune de ieșire analogică de -2,5 volți.

Din nou, cu un „1” logic aplicat la intrarea amplificatoarelor de însumare VB, câștigul amplificatorului operațional va fi RF/R2 = 1kΩ /4kΩ = 1/4 (un sfert) cu codul binar de 4 biți 0010 producând o tensiune de ieșire de -1,25 volți și, în cele din urmă, un „1” logic aplicat la intrarea amplificatoarelor de însumare VA, care reprezintă bitul cel mai puțin semnificativ (LSB), câștigul amplificatorului operațional va fi deci RF/R1 = 1kΩ/8kΩ = 1/8 (o optime) cu codul binar pe 4 biți 0001 producând o tensiune de ieșire de -0,625 volți, (o rezoluție de 12,5%).

Rezoluția acestui simplu convertor digital-analogic ponderat binar 8-4-2-1 va produce o modificare a tensiunii de ieșire de 0,625 volți pe schimbare de 1 bit în numărul binar și putem exprima această modificare a tensiunii de ieșire în următorul tabel.

Ieșire convertor D/A ponderată binar pe 4 biți

unde tensiunile de ieșire sunt toate negative datorită intrării inversoare a amplificatorului sumator.

Prin creșterea numărului de cifre binare și a rețelei sumatoare rezistive, astfel încât fiecare rezistor să aibă o pondere diferită, rezoluția tensiunii de ieșire analogice pentru un convertor digital-analogic ponderat binar poate fi mărită. De exemplu, un DAC pe 8 biți cu intrări TTL +5 ar produce o rezoluție de 0,039 (1/128*V) volți, în timp ce un DAC pe 12 biți ar fi 0,00244 (1/2048*V) volți pe treaptă (1 LSB) schimbare a codului binar (sau ne-binar) de intrare.

În mod clar, dezavantajul este că un DAC cu rezistor ponderat binar necesită o gamă largă de rezistoare de înaltă precizie (unul pe bit) pentru un DAC „n”-biți, ceea ce îl face impracticabil (și costisitor) pentru convertoarele cu mai mult de doar câțiva biți de rezoluție. Dar ne putem extinde asupra acestei idei de configurație de circuit digital-analogic ponderat binar, care utilizează rezistoare de valori diferite cu un pas în plus, transformându-l într-un DAC cu scară de rezistoare R-2R care necesită doar două valori de rezistență de precizie, și anume R și 2R.

În următorul tutorial despre convertoarele digital-analogice, vom analiza modul în care convertorul digital-analogic R-2R utilizează doar două valori de rezistor pentru a converti un număr binar digital într-o ieșire de tensiune analogică.