R/2nR DAC Dijelaskan: Konverter Digital-to-Analog Input Biner Tertimbang

Apa Itu Sirkuit DAC R/2nR?

DAC R/2nR—sering disebut DAC input biner tertimbang—adalah bentuk khusus dari amplificator penjumlahan terbalik. Ini mengonversi sekumpulan tegangan input biner menjadi satu tegangan analog yang magnitudo proporsional dengan bilangan biner yang diwakili.

Dalam amplificator op-amp penjumlahan terbalik standar, semua resistor input sama sehingga setiap input berkontribusi sama pada output. Desain R/2nR sengaja menetapkan resistor yang mengikuti deret pangkat-dua (R, 2R, 4R, …), memberikan setiap bit setengah pengaruh dari bit sebelumnya.

Bobot ini selaras dengan nilai tempat digit biner, memungkinkan sirkuit untuk menghasilkan tegangan analog yang merupakan representasi linear yang akurat dari input digital.

Contoh Ilustratif

Pertimbangkan DAC tiga bit dengan resistor input diatur ke R, 2R, dan 4R, seperti yang ditunjukkan:

Mendorong setiap input dengan level logika (0 V atau tegangan pasokan) menghasilkan urutan tegangan output berikut:

 -------------- | Binary | Output voltage | -------------- | 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 | 

Setiap penambahan dalam hitungan biner menghasilkan langkah 1.25 V pada output. Tanda negatif karena op-amp dikonfigurasi terbalik.

Mensimulasikan Sirkuit

Desain dapat diverifikasi dengan simulasi SPICE sederhana. Untuk input biner 110 (di mana node input pertama diikat ke pasokan positif dan kedua ke ground), netlistnya adalah:

 binary-weighted 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 

Output simulasi muncul pada node 6, cocok dengan –7.50 V yang diharapkan untuk kode biner 110.

Menyesuaikan Rentang Output

Dengan mengubah nilai resistor feedback, rentang tegangan output DAC dapat diskalakan. Misalnya, menggunakan resistor feedback 800 Ω alih-alih 1 kΩ menghasilkan:

 Binary | Output voltage -------|---------------- 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 

Menskalakan ke Resolusi Tinggi

Menambahkan lebih banyak bit adalah sederhana: sisipkan resistor input tambahan yang mengikuti deret 2ⁿ. Diagram sirkuit untuk DAC empat bit adalah:

Pertimbangan Desain Praktis

• Semua driver digital harus menyediakan level tegangan tinggi dan rendah yang sama (misalnya, +5 V tinggi, 0 V rendah). Variasi menurunkan akurasi analog.
• Menggunakan gerbang logika CMOS meminimalkan arus yang diperlukan dari setiap driver, menjaga integritas rasio resistor.
• Memilih nilai resistor yang membatasi arus driver mengurangi konsumsi daya dan panas.
• Untuk aplikasi resolusi tinggi, pertimbangkan tegangan offset dan arus bias op-amp; ini dapat memperkenalkan kesalahan kecil tetapi terukur.

Kapan Menggunakan DAC R/2nR

DAC biner tertimbang ideal untuk resolusi rendah hingga sedang (sekitar 8–10 bit) dalam sistem audio, instrumentasi, dan kontrol di mana kesederhanaan dan biaya adalah kritis. Untuk resolusi yang lebih tinggi, DAC switched-capacitor atau sigma-delta biasanya lebih disukai karena linearitas dan toleransi terhadap variasi komponen yang lebih baik.