R2R数模转换器(Digital-to-Analog Converter, DAC)是一种广泛使用的DAC架构,以其仅需两种阻值(R和2R)的电阻网络而闻名。它通过将数字输入信号转换为模拟电压或电流输出,在音频、测量仪器和控制系统等领域扮演着关键角色。相较于二进制加权DAC,R2R DAC在电阻匹配和制造复杂度上具有显著优势。
考虑以下典型的R2R梯形网络结构:

该电路的核心在于其独特的电阻梯形结构。我们可以通过戴维宁等效电路原理,从输出端向输入端逐级分析每个节点的等效电路
N32 节点左下,是一个 2R∣2R 的并联,等效为 1R ;如果在 N32 节点电压为 VN32 ,那么流过的电流
IN32=2RVN32−V32+2RVN32−V32′=RVN32−(V32′+V32)/2
那么在 N32 这个节点看到的,是一个电阻 R 和电压源,单端口网络的V+R等效,也可以用gmV线性叠加直接得出:
(V32′+V32)/2
N16 节点左下,同样看到是一个 2R 电阻和电压源 (V32′+V32)/2 和 2R电阻和电压源V16 的并联。同理,在 N16 这个节点看到的,是一个电阻 R 和电压源
(V_{32}'+V_{32})/4+V_{16}/2$$$N8$ 节点左下,看到的,是一个电阻 $R$ 和电压源
$$(V_{32}'+V_{32})/8+V_{16}/4+V_{8}/2
N4 节点左下,看到的,是一个电阻 R 和电压源
(V32′+V32)/16+V16/8+V8/4+V4/2
VO 节点左下,看到的,是一个电阻 R 和电压源
(V32′+V32)/32+V16/16+V8/8+V4/4+V2/2
假设数字输入位为 bn,bn−1,…,b1,b0,其中 bi 为0或1。如果我们将 Vref 设为高电平(对应数字1),0V设为低电平(对应数字0),那么输出电压 VO 可以表示为:
VO=Vref(2bn+4bn−1+⋯+2nb1+2n+1b0)
这个公式清晰地展示了R2R DAC如何将数字输入转换为与数字值成比例的模拟电压。其中,最高有效位(MSB)对输出的贡献最大,最低有效位(LSB)贡献最小。