R/2nR DAC：二进制加权输入数模转换器

什么是 R/2nR DAC 电路？

R/2nR DAC 电路，也称为二进制加权输入 DAC，是反相求和运算放大器电路的变体。 （请注意，“求和”电路有时也称为“夏季”电路。）

如果您还记得，经典的反相求和电路是一个运算放大器，它使用负反馈来控制增益，具有多个电压输入和一个电压输出。输出电压是所有输入电压的反相（相反极性）和：

对于简单的反相求和电路，所有电阻器的值必须相等。如果任何输入电阻不同，输入电压会对输出产生不同程度的影响，并且输出电压不会是真正的总和。

示例：具有多个输入电阻值的 R/2nR DAC

然而，让我们考虑一下，有意将输入电阻设置为不同的值。假设我们将输入电阻值设置为 2 的倍数：R、2R 和 4R，而不是所有相同的值 R：

从 V1 开始并通过 V3，这将使每个输入电压对输出的影响正好是它之前的电压的一半。换句话说，输入电压 V1 对输出电压的影响为 1:1（增益为 1），而输入电压 V2 对输出的影响为一半（增益为 1/2），而 V3 对输出的影响为一半（ 1/4 的增益）。

这些比率不是随意选择的：它们是对应于二进制计数系统中位置权重的相同比率。如果我们用数字门驱动该电路的输入，使每个输入为 0 伏或全电源电压，则输出电压将是这三位二进制值的模拟表示。

如果我们绘制此电路输入的所有八种二进制位（000 到 111）组合的输出电压，我们将得到以下电压级数：

-------------- |二进制 |输出电压 | ----------- | 000 | 0.00 伏 | -------------- | 001 | -1.25 伏 | ------------------ | 010 | -2.50 伏 | -------------- | 011 | -3.75 伏 | ------------------ | 100 | -5.00 伏 | -------------- | 101 | -6.25 伏 | ------------------ | 110 | -7.50 伏 | -------------- | 111 | -8.75 伏 | ------------------ 

请注意，在二进制计数序列中的每一步，输出都会产生 1.25 伏的变化。

使用 SPICE 很容易模拟该电路。在下面的模拟中，我设置了 DAC 电路的二进制输入为 110（注意电阻器 R1、R2 和 R3 的第一个节点编号：节点编号“1”将其连接到 5 伏电池的正极，并且节点号“0”将其接地）。

输出电压出现在仿真中的节点6：

二进制加权 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 节点电压（节点电压）1000 5 电压节点电压（节点电压）5 2k r3 0 (5) 0.0000 (6) -7.5000 

我们可以调整该电路中的电阻值以获得直接对应于二进制输入的输出电压。例如，通过将反馈电阻设为 800 Ω 而不是 1 kΩ，DAC 将为二进制输入 001 输出 -1 伏特，为二进制输入 100 输出 -4 伏特，为二进制输入 111 输出 -7 伏特，依此类推。

(反馈电阻设置为 800 ohms) ------ |二进制 |输出电压 | ---------------- | 000 | 0.00 伏 | ------------ | 001 | -1.00 伏 | ---------------- | 010 | -2.00 伏 | ------------ | 011 | -3.00 伏 | ---------------- | 100 | -4.00 伏 | ------------ | 101 | -5.00 伏 | ---------------- | 110 | -6.00 伏 | ------------ | 111 | -7.00 伏 | ---------------- 

如果我们希望扩展此 DAC 的分辨率（向输入添加更多位），我们需要做的就是添加更多输入电阻，并保持相同的 2 次方值序列：

应该注意的是，所有逻辑门在处于“高”状态时必须输出完全相同的电压。如果一个门输出+5.02伏为“高”而另一个只输出+4.86伏，DAC的模拟输出将受到不利影响。

同样，栅极之间的所有“低”电压电平都应相同，理想情况下正好为 0.00 伏。建议使用 CMOS 输出门，并选择输入/反馈电阻值以最小化每个门必须提供或吸收的电流量。