저항열 DAC 구조, 전류 조정형 DAC와 어떻게 다른가

아날로그 시계의 문자판을 떠올려 보죠. 테두리에 눈금이 촘촘히 새겨져 있고, 바늘은 그 눈금 중 하나를 가리켜 시각을 알려 줍니다. 눈금이 많을수록 더 세밀한 시각을 표현할 수 있죠.

디지털 숫자를 실제 전압으로 바꾸는 디지털 아날로그 변환기(DAC, Digital-to-Analog Converter)도 비슷한 일을 합니다. 그 안을 들여다보면 눈금을 만드는 방법이 크게 둘로 나뉘는데, 오늘은 저항열 DAC 구조와 전류 조정형 DAC가 같은 목표를 서로 다른 방식으로 이루는 과정을 비교해 보겠습니다.

DAC가 디지털 코드를 아날로그로 바꾸는 일

칩 안의 연산은 0과 1로 이루어지지만, 스피커를 울리거나 안테나로 신호를 내보내려면 연속적인 전압이 필요합니다. DAC는 그 사이를 잇는 다리로, N비트 코드를 받아 그에 대응하는 전압을 만들어 냅니다.

N비트라면 표현할 수 있는 단계는 2의 N제곱 개입니다. 8비트면 256단계, 12비트면 4096단계로, 비트 수가 늘수록 문자판의 눈금이 촘촘해지듯 더 정밀한 출력을 낼 수 있죠.

문제는 이 눈금을 물리적으로 어떻게 만드느냐입니다. 저항으로 전압을 나눠 눈금을 미리 깔아 두는 길과, 전류를 필요한 만큼 더해 눈금을 그때그때 쌓는 길이 있습니다.

저항열 DAC 구조는 어떻게 전압을 나누는가

첫 번째 방식은 같은 값의 저항을 길게 직렬로 이어 붙이는 데서 출발합니다. 기준 전압을 이 저항 사다리(resistor string) 양 끝에 걸면, 저항마다 전압이 조금씩 떨어지면서 사다리 중간중간에 일정한 간격의 전압 눈금이 생깁니다.

저항열 DAC 구조는 이렇게 만들어진 눈금 가운데 디지털 코드가 가리키는 지점을 스위치로 골라 출력하는 방식입니다. 코드를 해석하는 디코더가 2의 N제곱 개의 눈금 중 하나에 연결된 스위치만 켜 주는 것이죠.

이 방식의 가장 큰 미덕은 단조성(monotonicity)이 구조적으로 보장된다는 점입니다. 코드가 커지면 반드시 위쪽 접점이 선택되므로, 출력 전압이 거꾸로 내려가는 일이 없죠. 사다리의 눈금이 늘 아래에서 위로 정렬되어 있기 때문입니다.

전류 조정형 DAC가 전류를 더해 만드는 출력

두 번째 방식은 전압 눈금을 미리 깔아 두는 대신, 여러 개의 전류원(current source)을 준비해 두고 필요한 만큼만 켜서 전류를 더합니다. 켜진 전류들이 한 지점에 모여 저항을 지나면서 전압이 되거나, 부하를 직접 구동하죠.

전류원을 비트 자리값에 맞춰 2배씩 크게 두는 이진 가중 방식이 있고, 똑같은 크기의 전류원을 코드만큼 켜는 온도계 코딩(thermometer coding) 방식이 있습니다. 온도계 코딩은 소자가 많이 들지만 코드가 바뀔 때 생기는 출력 튐을 줄여 줍니다.

전류를 더하는 구조는 출력 버퍼 없이 부하를 바로 몰 수 있어 속도가 매우 빠릅니다. 그래서 고속 통신이나 영상 신호처럼 빠른 변환이 필요한 곳에서 널리 쓰이죠.

두 방식의 장점과 한계, 공정 난이도

저항으로 눈금을 나누는 방식은 단조성이 보장되고 설계가 직관적이지만, 비트가 하나 늘 때마다 저항과 스위치의 수가 2배로 불어납니다. 그래서 저항열 DAC 구조만으로 높은 해상도를 만들면 면적이 급격히 커져 고해상도에는 부담이 큽니다.

전류를 더하는 방식은 확장성과 속도에서 유리하지만, 전류원들의 크기가 서로 조금만 어긋나도 단조성이 깨지고 선형성이 나빠집니다. 그래서 소자 정합을 맞추는 레이아웃과 보정 기술이 공정 난이도를 좌우하죠.

흔히 DAC는 종류가 달라도 비트 수만 같으면 성능이 똑같다고 생각하기 쉽습니다. 하지만 같은 비트라도 구조에 따라 속도, 단조성, 출력 튐, 면적이 크게 달라지므로, 쓰임에 맞는 구조를 고르는 일이 설계의 핵심입니다.

두 DAC 방식 구조 비교

두 방식이 어디서 갈리는지 한눈에 정리하면 선택 기준이 분명해집니다.

구분	저항열 DAC	전류 조정형 DAC
기본 소자	직렬 저항 사다리	전류원 배열
출력 생성	전압 분배로 눈금 선택	전류를 합산해 생성
단조성	구조적으로 보장	전류원 정합에 의존
속도	중간 수준	빠름
면적 확장성	비트당 2배 증가로 불리	상대적으로 유리
주 용도	중해상도, 단조성 중시	고속 통신, 영상

핵심 정리

시계 문자판의 눈금을 바늘이 가리키듯, DAC는 디지털 코드가 가리키는 아날로그 눈금을 찾아 출력합니다. 저항열 DAC 구조는 저항 사다리로 전압 눈금을 미리 깔아 두고 하나를 고르는 방식이라 단조성이 보장되고, 전류 조정형 DAC는 전류원을 더해 눈금을 쌓는 방식이라 빠르고 확장성이 좋습니다.

결국 선택의 기준은 해상도와 속도, 그리고 단조성과 면적 사이의 균형입니다. 단조성과 정밀함이 중요한 곳에는 저항 기반을, 속도와 고해상도가 필요한 곳에는 전류 기반을 고르면 되죠.

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