Convertidor D/A

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Un convertidor de digital a analógico ( DAC ) es un dispositivo para convertir un código digital (generalmente binario) en una señal analógica ( corriente , voltaje o carga ). Los convertidores D/A son la interfaz entre el mundo digital discreto y las señales analógicas. Los DAC modernos se crean utilizando tecnologías de semiconductores en forma de circuito integrado .

Un convertidor de analógico a digital (ADC) realiza la operación inversa.

Aplicación

DAC siempre se usa en sistemas de telecomunicaciones y sistemas de control. Por ejemplo:

Características

Las siguientes características se utilizan generalmente para describir convertidores de digital a analógico.

generales

Características estáticas:

Características dinámicas:

DAC serie

En los DAC en serie, el código de entrada se convierte en una señal analógica poco a poco. Al mismo tiempo, se utiliza el mismo circuito para convertir todos los dígitos, lo que simplifica enormemente el dispositivo; sin embargo, la tasa de conversión es inversamente proporcional a la profundidad de bits. No confunda el método de conversión y la interfaz de entrada del dispositivo: el código de entrada se puede alimentar a la entrada de un DAC en serie tanto en serie como en paralelo. Los DAC serie incluyen los siguientes tipos:

Un DAC de audio suele recibir una señal digital en modulación de código de pulso ( PCM, modulación de código de pulso ) .  La tarea de convertir varios formatos comprimidos a PCM la llevan a cabo los respectivos códecs .

DAC paralelos

Arquitecturas

Una arquitectura DAC es una forma de generar una señal de salida a un nivel funcional. En otras palabras, esta es una descripción de la suma de los números que descompondrán el valor de la señal de salida. La señal de salida se forma utilizando elementos de pesaje, cada uno de los cuales es responsable de su "porción" de la señal analógica de salida. Las siguientes arquitecturas se distinguen por el conjunto de valores de los elementos de pesaje:

La relación de dos elementos de pesaje vecinos es 2. Es decir, la señal de salida se forma de la misma manera que sucede en el sistema numérico binario . En consecuencia, los pesos de los elementos que forman la señal de salida, en forma normalizada, serán iguales a 1, 2, 4, 8, 16, etc. Los elementos de peso están controlados por un código binario.

La relación de dos elementos de pesaje adyacentes es 1. Es decir, la señal de salida se forma de la misma manera que sucede en el sistema numérico unario . En consecuencia, los pesos de todos los elementos, en forma normalizada, son iguales a 1. El control se lleva a cabo mediante un código unario o unitario .

Los pesos de los elementos son una secuencia de números de Fibonacci . La señal de salida se forma de la misma manera que ocurre en el sistema numérico de Fibonacci .

Además, existe el concepto de arquitectura de segmento , que implica la división del código de entrada en varios grupos. Por lo general, dos. Cada grupo es procesado independientemente por su segmento. Las salidas de todos los segmentos se combinan para formar la salida DAC. La configuración más común de la arquitectura de segmento es la siguiente: los bits bajos son procesados ​​por un segmento construido sobre una arquitectura binaria, los bits altos son procesados ​​por un segmento construido sobre una arquitectura unaria.

Tipos de elementos de pesaje y formas de formar el peso

Los convertidores de digital a analógico, independientemente de la arquitectura, pueden utilizar los siguientes tipos de componentes como elemento de ponderación de la señal analógica: condensadores, resistencias y fuentes de corriente.

Para formar el peso del elemento de pesaje, existen los siguientes métodos:

  1. Escalado de denominaciones. Aplicable a cualquier tipo de elementos de pesaje. Desde el punto de vista de la tecnología de semiconductores, esto equivale siempre a escalar las dimensiones de los elementos;
  2. Uso de estructura de escalera. Aplicable únicamente a elementos de pesaje capacitivos y resistivos. Dependiendo del tipo de elemento de pesaje, tales estructuras se denominan R -2 R , C -2 C o M -2 M (se usan transistores en lugar de resistencias);
  3. Cambiar el voltaje de polarización. Aplicable solo a las fuentes actuales. El cambio en el voltaje de polarización puede ocurrir con la ayuda de un circuito de generación de voltaje de polarización sintonizable y con la ayuda de la inyección de carga en la puerta flotante. Este último es aplicable solo para tecnologías especiales que prevén la formación de una puerta flotante en el transistor. Por regla general, estas son tecnologías destinadas a la fabricación de memoria no volátil.

Estructuras de DAC paralelos resistivos y capacitivos

Binario
  • Tipo de ponderación DAC , en el que cada bit del código binario convertido corresponde a una resistencia o fuente de corriente conectada a un punto de suma común. La fuerza actual de la fuente (la conductancia de la resistencia) es proporcional al peso del bit al que corresponde. Por lo tanto, todos los bits distintos de cero del código se agregan al peso. El método de ponderación es uno de los más rápidos, pero se caracteriza por una baja precisión debido a la necesidad de un conjunto de muchas fuentes o resistencias de precisión diferentes y una impedancia no constante . Por esta razón, los DAC de ponderación están limitados a ocho bits;
  • DAC tipo escalera ( circuito cadena R-2R ). En el DAC R-2R, los valores se crean en un circuito especial que consta de resistencias con resistencias R y 2R , llamada matriz de impedancia constante , que tiene dos tipos de inclusión: matriz de corriente continua y matriz de voltaje inverso . El uso de las mismas resistencias puede mejorar significativamente la precisión en comparación con un DAC de pesaje convencional, ya que es relativamente fácil fabricar un conjunto de elementos de precisión con los mismos parámetros. El DAC tipo R-2R le permite superar los límites de la capacidad de bits. Con el recorte láser de resistencias de película ubicadas en el mismo sustrato de un microcircuito híbrido , se logra una precisión de 20-22 bits. La mayor parte del tiempo de conversión se gasta en el amplificador operacional, por lo que debe tener el máximo rendimiento. La velocidad del DAC es unidades de microsegundos e inferiores (es decir, nanosegundos). En los DAC ternarios, la matriz de impedancia constante consta de resistencias 3R-4R con un terminador 2R [1] .
Unario
  • DAC basado en línea de resistencia .

Sobremuestreo DAC (delta-sigma DAC)

Los DAC de sobremuestreo , como los DAC delta-sigma , se basan en una densidad de pulso variable. El sobremuestreo le permite utilizar un DAC con una profundidad de bits inferior para lograr una mayor profundidad de bits de la conversión final; a menudo, un DAC delta-sigma se construye alrededor del DAC de un bit más simple que es casi lineal. Un DAC de bit pequeño recibe una señal pulsada con una densidad de pulso modulada (con una duración de pulso constante, pero con un ciclo de trabajo variable ), creada mediante retroalimentación negativa . La retroalimentación negativa actúa como un filtro de paso alto para el ruido de cuantificación .

La mayoría de los DAC grandes (más de 16 bits) se basan en este principio debido a su alta linealidad y bajo costo. La velocidad del DAC delta-sigma alcanza cientos de miles de muestras por segundo, la profundidad de bits es de hasta 24 bits. Para generar una señal con una densidad de pulso modulada, se puede utilizar un modulador simple delta-sigma de primer orden o de orden superior como MASH ( English  Multi stage noise SHAping ). A medida que aumenta la frecuencia de sobremuestreo, se relajan los requisitos para el filtro de paso bajo de salida y se mejora la supresión del ruido de cuantificación;

Véase también

Notas

  1. ↑ Trinity 3-trit Fibonacci DAC (enlace inaccesible) . Consultado el 24 de octubre de 2015. Archivado desde el original el 4 de marzo de 2016. 

Literatura

  • Jean M. Rabai, Ananta Chandrakasan, Borivoj Nikolic. Circuitos integrados digitales. Metodología de Diseño = Circuitos Integrados Digitales. - 2ª ed. - M. : Williams , 2007. - 912 p. — ISBN 0-13-090996-3 .
  • Mingliang Liu. Desmitificación de circuitos de condensadores conmutados. ISBN 0-75-067907-7 .
  • Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. Diseño de circuitos analógicos CMOS. ISBN 0-19-511644-5 .

Enlaces

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