人们常将DAC视为具有数字输入和模拟输出的黑匣子，其实我们可以了解当今所用的DAC基本架构，这样将更有利于应用，而且能简化选型过程，否则考虑到市场上数不胜数的DAC，产品选型可能非常棘手。

DAC具有不同基础架构——“电阻串”DAC、“温度计”DAC、二进制DAC、分段DAC……本文将概述精密DAC最常见的DAC结构——R-2R梯形网络，将帮助了解此类精密DAC的架构的特点，并结合在高性能DAC领域占据绝对领先市场份额的亚德诺半导体（ADI）的相关产品案例展开实际典型产品分析。

R-2R梯形网络是这样的

图1：R-2R梯形网络架构

最常见的DAC结构是R-2R梯形网络，它仅使用两种不同值的电阻，阻值之比为2:1，N位DAC需要2n个电阻，而且可以在生产中进行激光调整，这种架构在设计上并不是单调的，通常需要后期校准，或像上面提到的通过激光调整来达到所需的性能。绝对精度不是关键要求，电阻可以有20%的容差，但对于产生一个单调DAC，电阻需要匹配到2ⁿ分之一，使用更复杂的串联和并联电阻组合的主要好处是开关连接到低阻抗源，可最大程度地减少瞬变，而低输出阻抗产生的输出噪声也很低。R-2R DAC不集成输出缓冲器，可以根据所需的失真和精度定制DAC性能，有两种方法可以将R-2R梯形电阻网络用作DAC，它们分别称为电流模式和电压模式。

在电流导引DAC中，R-2R梯形网络将输入电流细分为二进制权重电流，这些电流通过电流导引开关引向I_out1或I_out2。与R-2R梯形电阻相比，开关导通电阻低到可以忽略不计，开关尺寸通常很小，确保每个开关两端的压降相同就不会影响DAC的线性性能，DAC端接电阻一般与I_out2线路相连，便于提供该节点的偏置，这对真正的单电源应用很有用。这种结构的特点包括固定的基准输入阻抗，DAC表现出与数字码非线性相关的输出阻抗，需要低失调放大器来保持线性，由于输出阻抗的变化，噪声增益随DAC数字码而变化。噪声增益是折合到输入端的噪声和误差参数所受到的增益，产生DNL误差，该架构是乘法DAC的基础。DAC数字输入值乘以VREF引脚的模拟输入电压，任何需要精确乘法、最小零电平失调、超低失真的应用，都必须考虑CMOS R-2R DAC。

在R-2R梯形网络中，每个空间和较小位的和之间必须严格匹配，并以保持单调性，在分段设计中，这些要求可以降低，使得高分辨率单调转换器更加可行。最高有效位解码后，用于选择某个分段，在三位分段的情况下，并联梯形结构中有7/8的电流流过，R-2R结构中有1/8的电流流过。如果是采用三位分段的14位DAC，则R-2R结构基本上是11位DAC，这决定了实现性能的精度调整要求。因此，分段让线性度规格更容易实现。输入阻抗低得多，意味着失真就更低。如前所述，这种结构具有固定的输入阻抗和随数字码变化的输出阻抗。

按照上述方式连接R-2R结构，称为电压开关工作模式。在这种工作模式下，输出是电压而非电流。正基准电压提供正输出电压，因此可以采用单电源供电。DAC输入阻抗随数字码而变化，而DAC输出阻抗固定不变，连接到VREF的电压源应具有低动态阻抗，因为它必须作为开关负载驱动。I_out1和I_out2均由低阻抗源驱动，因此可以减少毛刺脉冲。高基准电压会降低CMOS开关的驱动能力，导致线性度降低。

有两种方法可以将R-2R梯形电阻网络用作DAC，分别称为电流模式和电压模式。该架构提供固定输入阻抗和与数字码相关的输出阻抗，R-2R DAC具有低噪声、更好的动态瞬态特性、较低的毛刺能量和较短的建立时间等特性，而且压摆率快，缺点是功耗较高，通道密度较低。电流导引R-2R架构具有恒定的的功耗，可变噪声、灵活的电流输出和高速度等特性；另一方面，电压开关模式的主要特性是功耗可变，输出噪声很低且与数字码相关。最后，分段式R-2R架构提供更低的噪声，让线性度规格更容易实现。

基于R-2R内核的AD5541A和AD5780实现高精度

AD5541A 等新型高分辨率 DAC能克服乘法 DAC 的局限性，同时保持电压切换的优势。通过使用部分分段的 R-2R 梯形网络和辅助开关，AD5541A 在 16 位分辨率下提供 ±1-LSB 的精度，而且无需调整整个指定温度范围（−40°C 至 +125°C）、11.8 nV/√Hz 噪声和 1-µs 建立时间。

图2：AD5541A 架构

图 3和图 4比较了处于电压模式下的乘法 DAC 和 AD5541A 的各自建立时间。当输出上的容性负载减至最低时，AD5541A 的建立时间约为 1 µs。

图 3. 乘法 DAC 建立时间

图4. AD5541A 建立时间

下表比较了 AD5541A 和乘法 DAC 的噪声谱密度。AD5541A 在 10 kHz 时的性能略微好于乘法 DAC，但在 1 kHz 时的性能远远胜出乘法 DAC。

AD5780系列可供系统立即使用的18-BIT、±1 LSB INL电压输出DAC也是基于R-2R内核，图5代表高精度AD5780系列的噪声频谱密度，这些是16位、18位和20位分辨率精密器件，此低噪声性能对于实现精确的线性性能具有至关重要的原因，本质上，噪声必须低于最小电压阶跃或LSB。

图5：AD5780输出电压噪声

R-2R梯形网络架构是降低热噪声的最佳DAC内核，因为它能最大程度地降低主要噪声源——输出阻抗。在本例中，噪声为8nV/√hz，非常适合高精度超稳定应用，此图显示了最高10 Hz的1/f噪声区域和更高频率下的热噪声。仅在01 Hz至10 Hz频率范围内测量，所示曲线为AD5780 18位DAC的峰峰值噪声，输出电压噪声峰峰值为11μV。