Κυκλώματα μετατροπέων D/A

Ένας τελεστικός ενισχυτής (ΤΕ) έχει πολύ μεγάλο κέρδος (gain), συνήθως περισσότερο από 100000, μικρή αντίσταση εξόδου και μεγάλη αντίσταση εισόδου και συμβολίζεται με ένα τρίγωνο. Έχει δύο εισόδους: την είσοδο αναστροφής φάσης (-) και την είσοδο μη αντιστροφής φάσης (+). Το σημαντικότερο που πρέπει να θυμάται
κανείς για τους ΤΕ είναι ότι όταν ένα μέρος της τάσης εξόδου επιστρέφει στην είσοδο αναστροφής ή όπως έχει επικρατήσει ανατροφοδοτείται στην αναστρέφουσα είσοδο (αρνητική ανατροφοδότηση negative feedback), τότε οι δύο είσοδοι θα βρίσκονται στο ίδιο δυναμικό (ή ισοδύναμα η διαφορά δυναμικού μεταξύ τους θα είναι 0). Η έξοδος του ΤΕ θα δώσει ή θα τραβήξει την απαραίτητη ποσότητα ρεύματος έτσι ώστε οι δύο τάσεις να διατηρηθούν ίσες. Η μη αναστρέφουσα είσοδος είναι γειωμένη, συνεπώς η αναστρέφουσα είσοδος διατηρείται στα 0V. Επειδή αυτή η είσοδος δεν είναι στην πραγματικότητα γειωμένη, για αυτό η κατάσταση αυτή ονομάζεται εικονική γη (virtual ground).

Περίπτωση D1=1 και D0=0

O διακόπτης D1 που αντιστοιχεί στο περισσότερο σημαντικό bit, συνδέεται στα 5V. Η τάση αυτή ονομάζεται τάση αναφοράς (reference voltage). Ο διακόπτης D0 παραμένει συνδεδεμένος στη γη. Τότε οι αντιστάσεις R1 και R2 είναι συνδεδεμένες παράλληλα και ισοδυναμούν με μία αντίσταση R. Αυτή η αντίσταση R και η αντίσταση R4 που είναι σε σειρά ισοδυναμούν με μία αντίσταση 2R (σχήμα β).

Λόγω της εικονικής γης, τα άκρα αυτής της αντίστασης 2R έχουν δυναμικό μηδέν και επομένως κανένα ρεύμα δεν τη διαρρέει (την αγνοούμε). Η τάση των 5V στην άκρη της αντίστασης R3=20 ΚΩ παράγει ρεύμα 0.25 mA, που διαρρέει την RF=20 ΚΩ (λόγω του ότι η αντίσταση εισόδου του ΤΕ είναι πολύ μεγάλη, επομένως το ρεύμα ″προτιμά″ τη διαδρομή με τη μικρότερη αντίσταση). Η τάση εξόδου που παράγεται από το περισσότερο σημαντικό bit θα είναι Vo= -lx * RF= -0.25mΑ * 20ΚΩ =-5V.

Περίπτωση D1=0 και D0=1

Για να βρούμε την τάση που παράγεται από το λιγότερο σημαντικό bit, γειώνουμε ξανά τον διακόπτη D1 και συνδέουμε τον διακόπτη D0 στα 5V (σχήμα γ). 

Το κύκλωμα απλοποιείται με το ισοδύναμο κατά Thevenin κύκλωμα του διαιρέτη τάσης που σχηματίζεται από την αντίσταση R1 και την αντίσταση R2 (σχήμα δ). Σύμφωνα με το θεώρημα του Thevenin, ένα κύκλωμα μπορεί να αντικατασταθεί από μία πηγή και μία αντίσταση σε σειρά. Η αντίσταση Thevenin προκύπτει αν υποθετικά βραχυκυκλώσουμε όλες τις πηγές τάσης. Η τάση Thevenin προκύπτει ως η τάση στον κόμβο όπου το κύκλωμα συνδέεται με άλλα κυκλώματα. Η τάση Thevenin είναι ακριβώς η τάση στον κόμβο, δηλαδή 5V/2=2.5 V, επειδή έχουμε δύο ίσες αντιστάσεις. Η αντίσταση Thevenin ισούται με την τιμή των δύο αντιστάσεων σε παράλληλη σύνδεση, δηλαδή με R. Η R3 μπορεί να αγνοηθεί, γιατί και τα δύο άκρα της είναι γειωμένα. Η ολική αντίσταση μεταξύ της αναστρέφουσας εισόδου του ΤΕ και της ισοδύναμης τάσης κατά Thevenin των 2.5 V είναι 2R, δηλαδή 20ΚΩ. Το ρεύμα προς την αναστρέφουσα είσοδο θα είναι 0.125 mA. Το ρεύμα αυτό (λόγω της υψηλής αντίστασης εισόδου του ΤΕ) διέρχεται από την αντίσταση ανάδρασης RF=20KΩ και παράγει μία τάση εξόδου -2.5 V. 

Περίπτωση D1=1 και D0=1

Για οποιοδήποτε συνδυασμό των διακοπτών μπορούμε να υπολογίσουμε την τάση εξόδου, απλά αθροίζοντας τις τάσεις που προκύπτουν για τον κάθε ένα διακόπτη. Για παράδειγμα, ο συνδυασμός D1D0=11 δίνει σαν  αποτέλεσμα τάση εξόδου: Vo= (-5.0V) + (-2.5V) =-7.5V

Οι μετατροπείς D/Α στο εμπόριο υπάρχουν σε μια μεγάλη ποικιλία ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους (αριθμός bits, μέγιστη τάση εξόδου, διακριτική ικανότητα, ταχύτητα κλπ.) καθώς και του κώδικα για την είσοδο των ψηφιακών δεδομένων (δυαδικό, συμπλήρωμα ως προς δύο, BCD κλπ.). Ένας κοινός μετατροπέας D/Α των 8 bits είναι ο DAC0808 της εταιρίας National Semiconductors. Η αναλογική έξοδος του DAC0808 είναι ρεύμα και όχι τάση και για το λόγο αυτό συνδέουμε εξωτερικά τον ΤΕ 741 με την αντίσταση ανάδρασης RF=5KΩ για τη μετατροπή της εξόδου του σε τάση.