Una escalera de resistencias es un circuito eléctrico hecho de unidades repetidas de resistencias . A continuación se analizan dos configuraciones, una escalera de resistor de cadena y una escalera R – 2R.
Una escalera R – 2R es una forma sencilla y económica de realizar la conversión de digital a analógico , utilizando arreglos repetitivos de redes de resistencias precisas en una configuración similar a una escalera . Una escalera de resistencia de cadena implementa la red de referencia no repetitiva.
Red de escalera de resistencia de cadena (conversión analógica a digital o ADC)
Una cadena de muchas resistencias, a menudo igualmente dimensionadas, conectadas entre dos voltajes de referencia es una red de escalera de cadenas de resistencias. Las resistencias actúan como divisores de voltaje entre los voltajes referenciados. Cada toque de la cadena genera un voltaje diferente, que se puede comparar con otro voltaje : este es el principio básico de un ADC flash (convertidor de analógico a digital). A menudo, un voltaje se convierte en corriente , lo que permite la posibilidad de utilizar una red en escalera R – 2R.
- Desventaja: para un ADC de n bits, el número de resistencias crece exponencialmente , a medida que se requieren resistencias, mientras que la escalera de resistencias R – 2R solo aumenta linealmente con el número de bits, ya que solo necesita resistencias.
- Ventaja: se pueden alcanzar valores de impedancia más altos utilizando el mismo número de componentes.
Red de escalera de resistencias R – 2R (conversión de digital a analógico)
En la Figura 1 se muestra una red de escalera de resistencias R – 2R básica. El bit a n −1 (bit más significativo, MSB) al bit a 0 (bit menos significativo, LSB) se controlan desde puertas lógicas digitales. Idealmente, las entradas de bit se cambian entre V = 0 (lógica 0) y V = V ref (lógica 1). La red R – 2R hace que estos bits digitales sean ponderados en su contribución al voltaje de salida V out . Dependiendo de qué bits se establezcan en 1 y cuáles en 0, la tensión de salida ( V out ) tendrá un valor escalonado correspondiente entre 0 y V ref menos el valor del paso mínimo, correspondiente al bit 0. El valor real de V ref (y el voltaje del 0 lógico) dependerá del tipo de tecnología utilizada para generar las señales digitales. [1]
Para un valor digital VAL, de un DAC R – 2R con N bits y niveles lógicos de referencia de 0 V / V , la tensión de salida V out es:
Por ejemplo, si N = 5 (por lo tanto, 2 N = 32) y V ref = 3.3 V (voltaje típico de lógica 1 de CMOS), entonces V out variará entre 0 voltios (VAL = 0 = 00000 2 ) y el máximo (VAL = 31 = 11111 2 ):
con pasos (correspondiente a VAL = 1 = 00001 2 )
La escalera R-2R es económica y relativamente fácil de fabricar, ya que solo se requieren dos valores de resistencia (o incluso uno, si R se hace colocando un par de 2R en paralelo, o si 2R se hace colocando un par de R en serie). Es rápido y tiene impedancia de salida fija R. La escalera R – 2R funciona como una cadena de divisores de corriente , cuya precisión de salida depende únicamente de qué tan bien se empareja cada resistor con los demás. Pequeñas inexactitudes en las resistencias MSB pueden abrumar por completo la contribución de las resistencias LSB. Esto puede resultar en un comportamiento no monótono en los cruces principales, como desde 01111 2 hasta 10000 2 . Dependiendo del tipo de puertas lógicas utilizadas y el diseño de los circuitos lógicos, puede haber picos de voltaje de transición en estos cruces importantes incluso con valores de resistencia perfectos. Estos se pueden filtrar con capacitancia en el nodo de salida (la consiguiente reducción en el ancho de banda puede ser significativa en algunas aplicaciones). Finalmente, la resistencia 2R está en serie con la impedancia de salida digital. Las puertas de alta impedancia de salida (por ejemplo, LVDS ) pueden no ser adecuadas en algunos casos. Por todas las razones anteriores (y sin duda otras), este tipo de DAC tiende a estar restringido a un número relativamente pequeño de bits; aunque los circuitos integrados pueden aumentar el número de bits a 14 o incluso más, lo más típico es 8 bits o menos.
Precisión de las escaleras de resistencias R – 2R
Las resistencias utilizadas con los bits más significativos deben ser proporcionalmente más precisas que las utilizadas con los bits menos significativos; por ejemplo, en la red R – 2R discutida anteriormente, las imprecisiones en las resistencias bit-4 (MSB) deben ser insignificantes en comparación con R / 32 (es decir, mucho mejor que el 3%). Además, para evitar problemas en la transición de 10000 2 a 01111 2 , la suma de las imprecisiones en los bits inferiores debe ser significativamente menor que R / 32. La precisión requerida se duplica con cada bit adicional: para 8 bits, la precisión requerida será mejor que 1/256 (0.4%). Dentro de los circuitos integrados , las redes R – 2R de alta precisión pueden imprimirse directamente en un solo sustrato utilizando tecnología de película delgada , lo que garantiza que las resistencias compartan características eléctricas similares . Aun así, a menudo deben cortarse con láser para lograr la precisión requerida. Se han demostrado estas escaleras de resistencias en chip para convertidores de digital a analógico que logran una precisión de 16 bits. [2] En una placa de circuito impreso, utilizando componentes discretos, las resistencias con una precisión del 1% serían suficientes para un circuito de 5 bits, sin embargo, con un número de bits superior a este, el costo de las resistencias de precisión cada vez mayores se vuelve prohibitivo. Para un convertidor de 10 bits, incluso el uso de resistencias de precisión del 0,1% no garantizaría la monotonicidad de la salida. Dicho esto, a veces se utilizan escaleras R-2R de alta resolución formadas a partir de componentes discretos, y la no linealidad se corrige en el software. Un ejemplo de este enfoque se puede ver en la fuente de alimentación Korad 3005.
Escalera de resistencia con peldaños desiguales
No es necesario que cada "peldaño" de la escalera R – 2R utilice los mismos valores de resistencia. Solo es necesario que el valor "2R" coincida con la suma del valor "R" más la resistencia equivalente a Thévenin de los peldaños de menor importancia. La Figura 2 muestra un DAC lineal de 4 bits con resistencias desiguales.
Esto permite crear un DAC razonablemente preciso a partir de una colección heterogénea de resistencias formando el DAC un bit a la vez. En cada etapa, las resistencias para el "peldaño" y el "tramo" se eligen de modo que el valor del peldaño coincida con el valor del tramo más la resistencia equivalente de los peldaños anteriores. Las resistencias de peldaño y pata se pueden formar emparejando otras resistencias en serie o en paralelo para aumentar el número de combinaciones disponibles. Este proceso se puede automatizar.
Ver también
Referencias
enlaces externos
- ECE209: DAC Lecture Notes - Universidad Estatal de Ohio
- EE247: Convertidores D / A - Berkeley University of California
- Notas de conferencias simplificadas de DAC / ADC - Universidad de Michigan
- Convertidores de digital a analógico (diapositivas) - Georgia Tech
- Tutorial MT-014: DAC de cadena y DAC totalmente decodificados : dispositivos analógicos
- Tutorial MT-015: DAC binarios: dispositivos analógicos
- Tutorial MT-016: DAC segmentados: dispositivos analógicos
- Tutorial MT-018: DAC intencionalmente no lineales : dispositivos analógicos
- Redes de escalera de resistencias R2R - Tecnologías BI
- Nota de aplicación de redes de escalera R / 2R - TT Electronics