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디지털-아날로그 변환회로

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사운드 카드에 사용되는 8채널 시러스 로직 CS4382 디지털-아날로그 변환회로.

일렉트로닉스에서 디지털-아날로그 변환회로(Digital-to-analog converter, DAC, D/A, D2A, 또는 D-to-A)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 시스템이다. 아날로그-디지털 변환회로(ADC)는 반대의 기능을 수행한다.

DAC는 음악 플레이어에서 디지털 데이터 스트림을 아날로그 오디오 신호로 변환하는 데 흔히 사용된다. 또한 텔레비전과 휴대 전화에서 디지털 비디오 데이터를 아날로그 비디오 신호로 변환하는 데도 사용된다. 이 두 응용 분야는 주파수/해상도의 절충안에서 반대편에 있는 DAC를 사용한다. 오디오 DAC는 저주파수, 고해상도 유형인 반면, 비디오 DAC는 고주파수, 저~중해상도 유형이다.

DAC 하드웨어 아키텍처에는 여러 가지가 있으며, 특정 응용 분야에 대한 DAC의 적합성은 해상도, 최대 샘플링 속도 등을 포함한 성능 지표에 의해 결정된다. 디지털-아날로그 변환은 신호를 저하시킬 수 있으므로, 응용 분야 측면에서 무시할 수 있는 수준의 오류를 가진 DAC를 선택해야 한다.

복잡성과 정밀하게 일치하는 부품이 필요하기 때문에, 가장 전문적인 DAC를 제외한 모든 DAC는 집적 회로(IC)로 구현된다. 이는 일반적으로 아날로그 및 디지털 회로를 모두 통합한 금속 산화막 반도체(MOS) 혼성 신호 집적 회로 칩의 형태를 취한다.

이산 DAC(패키지 IC가 아닌 여러 개의 개별 전자 부품으로 구성된 회로)는 일반적으로 군용 레이더 시스템에서 사용되는 것과 같이 매우 고속이고 저해상도이며 전력을 많이 소모하는 유형이다. 매우 고속의 시험 장비, 특히 샘플링 오실로스코프도 이산 DAC를 사용할 수 있다.

개요

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샘플링된 신호.

DAC는 추상적인 유한 정밀도 숫자(보통 고정 소수점 이진수)를 물리량(예: 전압 또는 압력)으로 변환한다. 특히 DAC는 유한 정밀도 시계열 데이터를 연속적으로 변화하는 물리적 신호로 변환하는 데 자주 사용된다.

신호의 대역폭이 표본화 정리(예: 대역폭이 나이퀴스트 진동수보다 작은 기저 대역 신호)의 요구 사항을 충족하고 무한한 해상도로 샘플링되었다면, 이론적으로 샘플링된 데이터로부터 원래 신호를 재구성할 수 있다. 그러나 ADC의 필터링은 나이퀴스트 진동수 이상의 모든 주파수를 완전히 제거할 수 없으며, 이는 기저 대역 주파수 범위로 에일리어싱된다. 또한 ADC의 디지털 샘플링 과정에서 일부 양자화 오차(반올림 오차)가 도입되며, 이는 낮은 레벨의 잡음으로 나타난다. 이러한 오류는 대상 응용 분야의 요구 사항(예: 오디오 응용 분야의 경우 인간 청각의 제한된 동적 범위) 내에서 유지될 수 있다.

응용

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8비트 DAC의 단순화된 기능도

일반적인 전화 통화에서 마이크로폰은 음성을 아날로그 전기 신호로 변환하며, 이는 ADC에 의해 디지털화된다. 결과적으로 생성된 디지털 데이터는 공유 통신 시스템을 통한 전송을 위해 다른 디지털 정보와 다중화될 수 있다. 수신 측에서 DAC는 디지털 신호를 다시 아날로그 형태로 변환하여 증폭하고 소리로 재생할 수 있게 한다.[1]

CD 플레이어의 필립스 D/A 변환회로

초기 CD 플레이어 사례

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초기 CD 플레이어는 D/A 변환기 앞에 오버샘플링을 사용하여 아날로그 재구성 필터가 저차이면서도 잘 제어된 위상 응답을 갖도록 했다. 1982년 필립스는 이러한 시스템을 상세히 설명했다.[2]

16비트, 44.1 kHz 입력이 먼저 디지털 보간 필터에 인가되고 4배 오버샘플링되어 176.4 kHz가 된다. 보간 필터는 96탭 유한 임펄스 응답 네트워크이다. 통과 대역은 오디오 범위에 걸쳐 있으며, 저지 대역은 제로차 유지 변환 후 22 kHz와 88 kHz 사이에 나타날 수 있는 이미지 성분을 감쇠시킨다. 더 높은 샘플링 속도는 이러한 이미지를 오디오 대역에서 멀어지게 하여 아날로그 필터에 대한 요구 사항을 줄인다.

필터링된 시퀀스는 14비트 정밀도로 표현되어 필립스 TDA1540에 인가된다. 이 변환기는 분할 전류원을 사용한다. 더 큰 전류 요소는 세분화되고 시간이 지남에 따라 요소 오류를 평균화하는 방식으로 전환되며, 이는 동적 요소 매칭의 초기 형태이다. 결과적으로 직접적인 이진 가중 전류원보다 향상된 선형성을 얻는다.

변환기 출력에서 파형은 샘플링 과정에서 발생하는 잔류 고주파 성분과 함께 원하는 신호에 대한 계단식 근사치로 구성된다. 변환기 뒤에는 3차 아날로그 저역 통과 필터가 뒤따른다. 이 필터는 남아 있는 대역 외 에너지를 제거하고 파형의 최종 평활화를 제공한다.

이후 장치인 필립스 TDA1541은 전체 16비트 해상도를 제공하며 중간 워드 길이 감소 단계의 필요성을 제거한다.[3] 이 설계와 이후 설계에서도 동일한 일반적인 구성이 유지되었다.

디지털 보간, 변환, 그리고 비교적 간단한 아날로그 필터로 이어지는 이 구성은 CD 재생의 표준 관행이 되었으며 Crystal CS4397과 같은 이후 DAC에도 나타난다.[4]

오디오

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같은 회사의 탑로딩 CD 플레이어(위)와 외부 디지털-아날로그 변환회로(아래).
CD 플레이어용 애드온으로 사용된 1990년대 오디오 알케미(Audio Alchemy)의 외부 DAC. 너비가 약 12cm에 불과하며 구형 또는 저가형 플레이어의 사운드 향상을 목적으로 했다.

대부분의 현대 오디오 신호는 디지털 형식(예: MP3 및 CD)으로 저장되며, 스피커를 통해 들으려면 아날로그 신호로 변환되어야 한다. 따라서 DAC는 CD 플레이어, 디지털 음악 플레이어, PC 사운드 카드에서 찾을 수 있다.

전문 독립형 DAC는 하이엔드 하이파이 시스템에서도 볼 수 있다. 이는 일반적으로 호환되는 CD 플레이어나 전용 트랜스포트(내장 DAC가 없는 CD 플레이어)의 디지털 출력을 받아 아날로그 라인 레벨 출력으로 변환하며, 이후 앰프에 입력되어 스피커를 구동한다.

유사한 디지털-아날로그 변환회로를 USB 스피커와 같은 디지털 스피커 및 사운드 카드에서도 찾을 수 있다.

음성 인터넷 프로토콜 응용 분야에서는 소스를 먼저 전송을 위해 디지털화해야 하므로 ADC를 통해 변환을 거친 다음, 수신 측에서 DAC를 사용하여 아날로그로 재구성한다.

비디오

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비디오 샘플링은 디지털 비디오 기초 작업의 대다수가 대상으로 했던 음극선관의 매우 비선형적인 응답과 인간의 눈 모두로 인해 완전히 다른 규모에서 작동하는 경향이 있다. 디스플레이의 전체 동적 범위에 걸쳐 균일하게 분포된 밝기 단계의 외관을 제공하기 위해 "감마 곡선"을 사용한다. 따라서 컴퓨터 비디오 응용 분야에서 램댁(RAMDAC)을 사용해야 할 필요가 생기는데, 각 채널의 각 출력 레벨에 대해 DAC에 하드코딩된 값을 엔지니어링하는 것이 비현실적일 만큼 충분히 깊은 색 해상도를 갖추어야 한다(예: 아타리 ST 또는 세가 제네시스는 24개의 이러한 값이 필요하고, 24비트 비디오 카드는 768개가 필요하다...). 이러한 본질적인 왜곡을 고려할 때, 텔레비전이나 비디오 프로젝터가 8비트 정밀도의 신호만 받아들이고 채널당 6~7비트만 표현하는 LCD 패널을 사용하더라도 1000:1 이상의 선형 명암비(가장 어두운 출력 레벨과 가장 밝은 출력 레벨의 차이, 오디오 정밀도 10비트에 해당)를 사실대로 주장하는 것은 드문 일이 아니다.

디지털 소스(예: 컴퓨터)의 비디오 신호는 아날로그 모니터에 표시되려면 아날로그 형태로 변환되어야 한다. 2007년 현재, 아날로그 입력이 디지털보다 더 흔하게 사용되었으나, DVI 및 HDMI 연결이 포함된 평판 디스플레이가 널리 보급되면서 상황이 바뀌었다. 그러나 비디오 DAC는 아날로그 출력이 있는 모든 디지털 비디오 플레이어에 포함되어 있다. DAC는 일반적으로 감마 보정, 명암비, 밝기를 위한 변환 테이블을 포함하는 메모리(RAM)와 통합되어 램댁이라는 장치를 만든다.

디지털 전위차계

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DAC와 거리가 먼 장치로 디지털 제어 전위차계가 있으며, 이는 아날로그 신호를 디지털 방식으로 제어하는 데 사용된다.

기계식

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IBM 셀렉트릭 타자기는 기계식 디지털-아날로그 변환회로를 사용하여 타입볼을 제어한다.

1비트 기계식 액추에이터는 켜져 있을 때와 꺼져 있을 때의 두 가지 위치를 가정한다. 여러 1비트 액추에이터의 움직임을 결합하고 위플트리(whiffletree) 메커니즘으로 가중치를 부여하여 더 세밀한 단계를 생성할 수 있다. IBM 셀렉트릭 타자기는 이러한 시스템을 사용한다.[5]

통신

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DAC는 현대 통신 시스템에 널리 사용되어 디지털 방식으로 정의된 전송 신호를 생성할 수 있게 한다. 고속 DAC는 이동 통신에 사용되며 초고속 DAC는 광통신 시스템에 사용된다.

유형

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가장 일반적인 전자 DAC 유형은 다음과 같다.[6]

  • 펄스 폭 변조(PWM): 안정적인 전류 또는 전압이 디지털 입력 코드에 의해 결정된 지속 시간 동안 저역 통과 아날로그 필터로 전환된다. 이 기술은 전기 모터 속도 제어 및 LED 조명 밝기 조절에 자주 사용된다.
  • 오버샘플링 DAC 또는 보간 DAC: 델타-시그마 변조를 사용하는 DAC와 같이 오버샘플링과 함께 펄스 밀도 변환 기술을 사용한다. 오디오 델타-시그마 DAC는 384 kHz 샘플링 속도와 24비트 해상도로 판매되지만, 내재된 잡음으로 인해 품질이 낮다( § Figures of merit 참조). 일부 가전제품은 1비트 DAC라고 불리는 유형의 오버샘플링 DAC를 사용한다.
  • 이진 가중 DAC: DAC의 각 비트에 대해 개별 전기 부품이 합산 지점(보통 연산 증폭기)에 연결된다. 합산의 각 입력은 최상위 비트에서 가장 많은 전류 또는 전압을 갖는 2의 거듭제곱 가중치를 갖는다. 이것은 가장 빠른 변환 방법 중 하나이지만, 각 개별 전압 또는 전류에 필요한 높은 정밀도 때문에 정확도가 떨어진다.[7]
    • 스위치드 저항기 DAC: 병렬 저항기 네트워크를 포함한다. 개별 저항기는 디지털 입력에 따라 네트워크에서 활성화되거나 바이패스된다.[8]
    • 스위치드 전류원 DAC,[9]: 디지털 입력에 따라 서로 다른 전류원이 선택된다.
      전류 조향 DAC - DAC1138KX
    • 스위치드 축전기 DAC: 병렬 축전기 네트워크를 포함한다. 개별 축전기는 입력에 따라 스위치로 연결되거나 연결 해제된다.
    • R-2R 래더 DAC: R 및 2R 저항기 값을 반복적으로 계단식으로 연결한 구조를 사용한다.[8] 이는 동일한 값의 일치하는 저항기를 만드는 상대적인 용이성 덕분에 정밀도를 향상시킨다.
    • 축차 근사(또는 직렬 전하 재분배) DAC: 각 변환 주기 동안 점진적으로 출력을 구성한다.[10] 개별 비트는 최하위 비트부터 순차적으로 평가되며, 각 비트 주기는 전하 공유를 통해 축전기의 전압을 효과적으로 절반으로 줄인다. 현대적인 구현은 축전기 불일치로 인한 변환 오류를 줄인다.[11]
  • 온도계 코드 DAC: 가능한 각 DAC 출력 값에 대해 동일한 저항기 또는 전류원 세그먼트를 포함한다. 8비트 온도계 DAC는 255개의 세그먼트를, 16비트 온도계 DAC는 65,535개의 세그먼트를 갖는다. 이것은 빠르고 정밀한 DAC 아키텍처이지만, 실용적인 구현을 위해서는 많은 부품이 필요하며 제조에 고밀도 IC 공정이 필요하다.[12]
  • 하이브리드 DAC: 단일 변환기 내에서 위의 기술을 조합하여 사용한다. 대부분의 DAC 집적 회로는 저비용, 고속, 고정밀도를 한 장치에서 얻기 어렵기 때문에 이러한 유형이다. 예로는 4비트 스위치드 축전기 DAC가 뒤따르는 델타-시그마 변조기가 있다. 이러한 DAC는 종종 동적 요소 매칭(DEM)을 포함한다.[13]
    • 세그먼트 DAC: 최상위 비트에는 온도계 코드 원리를, 최하위 비트에는 이진 가중 원리를 결합한다. 이러한 방식으로 정밀도(온도계 코드 원리 사용)와 저항기 또는 전류원 수(이진 가중 원리 사용) 사이에서 타협을 얻는다. 완전한 이진 가중 설계는 0% 세그먼트화를 의미하고, 완전한 온도계 코드 설계는 100% 세그먼트화를 의미한다.
  • 이 목록에 표시된 대부분의 DAC는 출력 값을 생성하기 위해 일정한 기준 전압 또는 전류에 의존한다. 대안으로, 곱셈형 DAC[14]는 가변 입력 전압 또는 전류를 변환 기준으로 사용한다. 이는 변환 회로의 대역폭에 추가적인 설계 제약을 가한다.
  • 현대의 고속 DAC는 인터리브 아키텍처를 가지며, 여기서 여러 DAC 코어가 병렬로 사용된다. 출력 신호는 결합된 DAC의 성능을 향상시키기 위해 아날로그 도메인에서 결합된다.[15] 신호의 결합은 시간 도메인이나 주파수 도메인에서 수행될 수 있다.

성능

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DAC의 가장 중요한 특성은 다음과 같다.

해상도
DAC가 재현하도록 설계된 가능한 출력 레벨의 수이다. 이는 보통 사용하는 비트 수로 표시되며, 이는 레벨 수의 이진 로그이다. 예를 들어, 1비트 DAC는 2(21)개의 레벨을 재현하도록 설계된 반면, 8비트 DAC는 256(28)개의 레벨을 재현하도록 설계되었다. 해상도는 DAC가 실제로 달성한 해상도의 측정값인 유효 비트 수와 관련이 있다. 해상도는 비디오 응용 분야에서 색 깊이와 오디오 응용 분야에서 오디오 비트 심도를 결정한다.
최대 샘플링 속도
DAC 회로가 작동하면서도 올바른 출력을 생성할 수 있는 최대 속도이다. 표본화 정리는 이것과 샘플링된 신호의 대역폭 사이의 관계를 정의한다.
단조성
디지털 입력이 움직이는 방향으로만 아날로그 출력이 움직이는 능력(예: 입력이 증가하면 올바른 출력을 주장하기 전에 출력이 떨어지지 않음). 이 특성은 저주파 신호 소스 또는 디지털 프로그래밍 가능 트리밍 요소로 사용되는 DAC에 매우 중요하다.
총 고조파 왜곡 및 잡음(THD+N)
DAC에 의해 신호에 도입된 왜곡 및 잡음의 측정값이다. 원하는 신호에 수반되는 원치 않는 고조파 왜곡 및 잡음의 총 전력 비율을 백분율로 나타낸다.
동적 범위
DAC가 재현할 수 있는 가장 큰 신호와 가장 작은 신호 간의 차이를 데시벨로 나타낸 측정값이다. 이는 보통 해상도 및 잡음 플로어와 관련이 있다.

위상 왜곡 및 지터와 같은 다른 측정값도 일부 응용 분야에서 매우 중요할 수 있으며, 그 중 일부(예: 무선 데이터 전송, 복합 비디오)는 위상이 조정된 신호의 정확한 생성에 의존할 수도 있다.

비선형 PCM 인코딩(A-law / μ-law, ADPCM, NICAM)은 각 데이터 비트로 표현되는 출력 신호 강도 사이에 로그 단계 크기를 사용하여 유효 동적 범위를 개선하려고 한다. 이는 조용한 신호의 더 나은 성능을 위해 큰 신호의 더 큰 양자화 왜곡을 교환하는 방식이다.

성능 지표

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  • 정적 성능:
    • 미분 비선형성(DNL)은 두 개의 인접한 코드 아날로그 값이 이상적인 1 LSB 단계에서 얼마나 벗어나는지 보여준다.[16]
    • 적분 비선형성(INL)은 DAC 전달 특성이 이상적인 것에서 얼마나 벗어나는지 보여준다. 즉, 이상적인 특성은 보통 직선이며, INL은 특정 코드 값에서의 실제 전압이 LSB 단위(1 LSB 단계)로 해당 직선과 얼마나 다른지 보여준다.[16]
    • 이득 오차[16]
    • 오프셋 오차[16]
    • 잡음은 궁극적으로 저항기와 같은 수동 부품에 의해 생성되는 열잡음에 의해 제한된다. 오디오 응용 분야와 실온에서 이러한 잡음은 일반적으로 1 μV(마이크로볼트)의 백색 잡음보다 약간 낮다. 이는 24비트 DAC에서도 실질적으로 해상도를 20~21비트 미만으로 제한한다.
  • 주파수 도메인 성능
    • 무스퓨리어스 동적 범위(SFDR)는 변환된 주 신호의 전력과 가장 큰 원치 않는 스퍼(spur) 전력의 비율을 dB로 나타낸다.[16]
    • 신호 대 잡음 왜곡비(SINAD)는 변환된 주 신호의 전력과 잡음 및 생성된 고조파 스퍼의 합에 대한 비율을 dB로 나타낸다.[16]
    • i번째 고조파 왜곡(HDi)은 변환된 주 신호의 i번째 고조파 전력을 나타낸다.
    • 총 고조파 왜곡(THD)은 입력 신호의 모든 고조파 전력의 합이다.[16]
    • 최대 DNL이 1 LSB 미만이면 D/A 변환기는 단조로운 것으로 보장된다. 그러나 많은 단조 변환기가 1 LSB보다 큰 최대 DNL을 가질 수 있다.[16]
  • 시간 도메인 성능:
    • 글리치 임펄스 영역(글리치 에너지)[16]

같이 보기

[편집]

각주

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  1. ↑ Rodgers, Sandi (December 1999). “Comparison of TI Voice-Band CODECs for Telephony Applications” (PDF). 《Application report》. 2026년 2월 25일에 확인함.
  2. ↑ Goedhart, D.; van de Plassche, R. J.; Stikvoort, E. F. (June 1982). “Digital-to-analog conversion in playing a Compact Disc”. 《Philips Technical Review》 40 (6): 174–179.
  3. ↑ 《Signetics Linear Data Manual, Vol. 2: Industrial》. 1989.
  4. ↑ 《Crystal Semiconductor CS4397 datasheet》.
  5. ↑ Brian Brumfield (2014년 9월 2일). “Selectric Repair 10-3A Input: Keyboard”. 2015년 12월 29일에 원본 문서에서 보존된 문서 – YouTube 경유.
  6. ↑ “Data Converter Architectures” (PDF). 《Analog-Digital Conversion》. 아날로그 디바이스. 2017년 8월 30일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2017년 8월 30일에 확인함.
  7. ↑ “Binary Weighted Resistor DAC” (미국 영어). 《Electronics Tutorial》. 2018년 9월 25일에 확인함.
  8. 1 2 Smith, B. D. (August 1953). “Coding by Feedback Methods”. 《Proceedings of the IRE》 41 (8): 1053–1058. doi:10.1109/JRPROC.1953.274323. ISSN 2162-6634.
  9. ↑ Van De Plassche, R.J. (December 1976). “Dynamic element matching for high-accuracy monolithic D/A converters” (영어). 《IEEE Journal of Solid-State Circuits》 11 (6): 795–800. doi:10.1109/JSSC.1976.1050820. ISSN 0018-9200.
  10. ↑ Suarez, R.E.; Gray, P.R.; Hodges, D.A. (December 1975). “All-MOS charge-redistribution analog-to-digital conversion techniques. II”. 《IEEE Journal of Solid-State Circuits》 10 (6): 379–385. doi:10.1109/JSSC.1975.1050630. ISSN 1558-173X.
  11. ↑ Rombouts, P.; Weyten, L.; Raman, J.; Audenaert, S. (January 1998). “Capacitor mismatch compensation for the quasi-passive-switched-capacitor DAC”. 《IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications》 45 (1): 68–71. doi:10.1109/81.660758. ISSN 1558-1268.
  12. ↑ Walt Kester, 《Basic DAC Architectures I: String DACs and Thermometer (Fully Decoded) DACs》 (PDF), 아날로그 디바이스, 2015년 5월 3일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서
  13. ↑ US6518899B2, Yu, Xianggang, "Method and apparatus for spectral shaping of non-linearity in data converters", issued 2003-02-11
  14. ↑ “Multiplying DACs: Flexible Building Blocks” (PDF). 아날로그 디바이스. 2010. 2011년 5월 16일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서. 2012년 3월 29일에 확인함.
  15. ↑ Schmidt, Christian (2020). 《Interleaving Concepts for Digital-to-Analog Converters: Algorithms, Models, Simulations and Experiments》 (영어). Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden. doi:10.1007/978-3-658-27264-7. ISBN 9783658272630. S2CID 199586286.
  16. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 “ADC and DAC Glossary”. Maxim. 2007년 3월 8일에 원본 문서에서 보존된 문서.

외부 링크

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오디오용 DAC칩 목록
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