Circuitos Conversores D/A

Os conversores D/A estão disponíveis como CIs ou como pacotes encapsulados que não exigem nenhum conhecimento de circuito. É importante conhecer as características significativas de desempenho dos DACs.

A Fig.1 mostra o circuito básico para um tipo de DAC de quatro bits.

Fig.1

As entradas A, B, C e D são entradas binárias que se presume que tenham valores de 0 V, (BAIXO, L, 0), ou 5 V, (ALTO, H, 1)

O amplificador operacional(OpAmp) é empregado como um amplificador somador, que produz a soma ponderada dessas tensões de entrada. Lembre-se de que o amplificador somador multiplica cada tensão de entrada pela razão do resistor de realimentação(feedback) RF para o resistor de entrada correspondente RIN.

A entrada D tem RIN = 1kΩ, então o amplificador somador passa a tensão em D sem atenuação. A entrada C tem RIN = 2kΩ, de modo que será atenuada por 1/2 Da mesma forma, a entrada B será atenuada por 1/4 e a entrada A por 1/8.

A saída do amplificador pode, portanto, ser expressa como VOUT:

Fig.2

A saída do amplificador somador é uma tensão analógica que representa uma soma ponderada das entradas digitais D, C, B, A, conforme mostrado na tabela na Fig.3. Esta tabela lista todas as condições de entrada possíveis e a tensão resultante de saída VOUT do amplificador.

Fig.3

A resolução deste conversor D/A é igual ao peso do LSB, A, , que é (1/8) x 5 V = 0,625 V. Como mostrado na tabela, a saída analógica aumenta em 0,625 V à medida que o número de entrada binária avança um degrau.

Os valores do resistor de entrada, na Fig.1, são ponderados binariamente. Em outras palavras, começando com o resistor MSB, os valores do resistor aumentam por um fator de 2. Isso, é claro, produz a ponderação desejada na saída de tensão.

Precisão de conversão

Os valores da tensão resultante de saída VOUT do amplificador dependem principalmente de dois fatores:

(1) a precisão dos resistores de entrada e realimentação(feedback) e

(2) a precisão dos níveis de tensão de entrada

Os resistores podem ser feitos muito precisos (dentro de 0,01 por cento dos valores nominais), mas os níveis de tensão de entrada H e L devem ser tratados de forma diferente, pois não são valores precisos como 0 V e 5 V, mas variam dentro de determinados intervalos.

Circuito Conversor D/A Completo

São acrescentados circuitos de interface(portas de transmissão CMOS) entre cada entrada digital D, C, B, A, e seu correpondente resistor de entrada, no amplificador somador.

Fig.4

Quando a entrada é ALTA, a chave fecha e conecta uma fonte de referência de precisão ao resistor de entrada; quando a entrada é BAIXA, a chave está aberta. A fonte de referência produz uma tensão muito estável e precisa necessária para gerar uma saída analógica precisa.

Circuito DAC com Saída em Corrente

A Fig.5 mostra um esquema básico para gerar uma saída analógica proporcional a uma entrada binária. O circuito mostrado é um DAC de quatro bits usando resistores ponderados binariamente. O circuito usa quatro ramos de corrente paralela, cada um controlado por uma chave semicondutora, como portas de transmissão CMOS.

Fig.5

O estado de cada switch é controlado por níveis lógicos nas entradas binárias. A corrente através de cada ramo é determinada por uma tensão de referência precisa, VREF, e um resistor de precisão no caminho. Os resistores são ponderados de forma binária para que as várias correntes sejam ponderadas de forma binária, e a corrente total, IOUT, será a soma das correntes individuais. O caminho MSB tem o menor resistor, R; o próximo caminho tem um resistor do dobro do valor; e assim por diante.

A corrente de saída pode fluir através de uma carga RL que é muito menor que R, de modo que não tem efeito sobre o valor da corrente. Idealmente, RL deve ser um curto para o terra.

Para que o IOUT seja precisa, o RL deve ser um curto para a terra(GND). Uma maneira comum de conseguir isso é usar um amplificador operacional como um conversor de corrente para tensão, como mostrado na Fig.6.

Fig.6

A corrente IOUT do DAC está conectada à entrada inversora “-” do amplificador operacional, que está praticamente na terra(GND). O feedback negativo op-amp força uma corrente igual a IOUT a fluir através de RF para produzir VOUT = -IOUT X RF. Assim, VOUT será uma tensão analógica que é proporcional à entrada binária do DAC. Esta saída analógica pode acionar uma ampla gama de cargas sem ser carregada.

VOUT = - IOUT X RF

Circuito DAC com Rede R/2R

DAC com resistores ponderados para produzir o peso apropriado de cada bit tem algumas limitações práticas. O maior problema é a grande diferença nos valores dos resistores entre o LSB e o MSB, sobretudo em DACs de alta resolução (ou seja, muitos bits).

Se o resistor MSB for de 1 kOhm em um DAC de 12 bits, o resistor LSB vai superar 2 MOhm. Um dos circuitos DAC mais amplamente usados que preenche esse requisito é a rede R/2R, com valores de resistência entre 2 e 1.

Fig.7

Dois valores diferentes de resistores são usados, R e 2R. A corrente IOUT dependeda posição das quatro chaves, e as entradas binárias B3B2B1B0 controlam os estados ON e OFF das chaves.

VOUT = -(VREF /16) X B

Onde B é o valor da entrada binária, que pode variar de 0000 (0) a 1111 (15).

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