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人們常將DAC視為具有數字輸入和模擬輸出的黑匣子，其實我們可以了解當今所用的DAC基本架構，這樣將更有利于應用，而且能簡化選型過程，否則考慮到市場上數不勝數的DAC，產品選型可能非常棘手。
DAC具有不同基礎架構——“電阻串”DAC、“溫度計”DAC、二進制DAC、分段DAC……本文將概述精密DAC最常見的DAC結構——R-2R梯形網絡，將幫助了解此類精密DAC的架構的特點，并結合在高性能DAC領域占據絕對領先市場份額的亞德諾半導體（ADI）的相關產品案例展開實際典型產品分析。
R-2R梯形網絡是這樣的
圖1：R-2R梯形網絡架構
最常見的DAC結構是R-2R梯形網絡，它僅使用兩種不同值的電阻，阻值之比為2:1，N位DAC需要2n個電阻，而且可以在生產中進行激光調整，這種架構在設計上并不是單調的，通常需要后期校準，或像上面提到的通過激光調整來達到所需的性能。絕對精度不是關鍵要求，電阻可以有20%的容差，但對于產生一個單調DAC，電阻需要匹配到2n分之一，使用更復雜的串聯和并聯電阻組合的主要好處是開關連接到低阻抗源，可最大程度地減少瞬變，而低輸出阻抗產生的輸出噪聲也很低。R-2R DAC不集成輸出緩沖器，可以根據所需的失真和精度定制DAC性能，有兩種方法可以將R-2R梯形電阻網絡用作DAC，它們分別稱為電流模式和電壓模式。
在電流導引DAC中，R-2R梯形網絡將輸入電流細分為二進制權重電流，這些電流通過電流導引開關引向Iout1或Iout2。與R-2R梯形電阻相比，開關導通電阻低到可以忽略不計，開關尺寸通常很小，確保每個開關兩端的壓降相同就不會影響DAC的線性性能，DAC端接電阻一般與Iout2線路相連，便于提供該節點的偏置，這對真正的單電源應用很有用。這種結構的特點包括固定的基準輸入阻抗，DAC表現出與數字碼非線性相關的輸出阻抗，需要低失調放大器來保持線性，由于輸出阻抗的變化，噪聲增益隨DAC數字碼而變化。噪聲增益是折合到輸入端的噪聲和誤差參數所受到的增益，產生DNL誤差，該架構是乘法DAC的基礎。DAC數字輸入值乘以VREF引腳的模擬輸入電壓，任何需要精確乘法、最小零電平失調、超低失真的應用，都必須考慮CMOS R-2R DAC。
在R-2R梯形網絡中，每個空間和較小位的和之間必須嚴格匹配，并以保持單調性，在分段設計中，這些要求可以降低，使得高分辨率單調轉換器更加可行。最高有效位解碼后，用于選擇某個分段，在三位分段的情況下，并聯梯形結構中有7/8的電流流過，R-2R結構中有1/8的電流流過。如果是采用三位分段的14位DAC，則R-2R結構基本上是11位DAC，這決定了實現性能的精度調整要求。因此，分段讓線性度規格更容易實現。輸入阻抗低得多，意味著失真就更低。如前所述，這種結構具有固定的輸入阻抗和隨數字碼變化的輸出阻抗。
按照上述方式連接R-2R結構，稱為電壓開關工作模式。在這種工作模式下，輸出是電壓而非電流。正基準電壓提供正輸出電壓，因此可以采用單電源供電。DAC輸入阻抗隨數字碼而變化，而DAC輸出阻抗固定不變，連接到VREF的電壓源應具有低動態阻抗，因為它必須作為開關負載驅動。Iout1和Iout2均由低阻抗源驅動，因此可以減少毛刺脈沖。高基準電壓會降低CMOS開關的驅動能力，導致線性度降低。
有兩種方法可以將R-2R梯形電阻網絡用作DAC，分別稱為電流模式和電壓模式。該架構提供固定輸入阻抗和與數字碼相關的輸出阻抗，R-2R DAC具有低噪聲、更好的動態瞬態特性、較低的毛刺能量和較短的建立時間等特性，而且壓擺率快，缺點是功耗較高，通道密度較低。電流導引R-2R架構具有恒定的的功耗，可變噪聲、靈活的電流輸出和高速度等特性；另一方面，電壓開關模式的主要特性是功耗可變，輸出噪聲很低且與數字碼相關。最后，分段式R-2R架構提供更低的噪聲，讓線性度規格更容易實現。
基于R-2R內核的AD5541A和AD5780實現高精度
AD5541A 等新型高分辨率 DAC能克服乘法 DAC 的局限性，同時保持電壓切換的優勢。通過使用部分分段的 R-2R 梯形網絡和輔助開關，AD5541A 在 16 位分辨率下提供 ±1-LSB 的精度，而且無需調整整個指定溫度范圍（−40°C 至 +125°C）、11.8 nV/√Hz 噪聲和 1-µs 建立時間。
圖2：AD5541A 架構
圖 3和圖 4比較了處于電壓模式下的乘法 DAC 和 AD5541A 的各自建立時間。當輸出上的容性負載減至最低時，AD5541A 的建立時間約為 1 µs。
圖 3. 乘法 DAC 建立時間
圖4. AD5541A 建立時間
下表比較了 AD5541A 和乘法 DAC 的噪聲譜密度。AD5541A 在 10 kHz 時的性能略微好于乘法 DAC，但在 1 kHz 時的性能遠遠勝出乘法 DAC。
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DAC
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NSD @ 10 kHz (nV/√Hz)
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NSD @ 1 kHz (nV/√Hz)
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AD5541A
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12
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12
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MDAC
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30
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140
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AD5780系列可供系統立即使用的18-BIT、±1 LSB INL電壓輸出DAC也是基于R-2R內核，圖5代表高精度AD5780系列的噪聲頻譜密度，這些是16位、18位和20位分辨率精密器件，此低噪聲性能對于實現精確的線性性能具有至關重要的原因，本質上，噪聲必須低于最小電壓階躍或LSB。
圖5：AD5780輸出電壓噪聲
R-2R梯形網絡架構是降低熱噪聲的最佳DAC內核，因為它能最大程度地降低主要噪聲源——輸出阻抗。在本例中，噪聲為8nV/√hz，非常適合高精度超穩定應用，此圖顯示了最高10 Hz的1/f噪聲區域和更高頻率下的熱噪聲。僅在01 Hz至10 Hz頻率范圍內測量，所示曲線為AD5780 18位DAC的峰峰值噪聲，輸出電壓噪聲峰峰值為11μV。
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