デジタル-アナログコンバータ

電子工学において、デジタル-アナログ コンバータ( DAC、D/A、D2A、またはD-to-A ) は、デジタル信号をアナログ信号に変換するシステムです。アナログ-デジタル コンバータ(ADC) は、その逆の機能を実行します。

DACアーキテクチャにはいくつかあります。特定のアプリケーションに対する DAC の適合性は、解像度、最大サンプリング周波数などの性能指数によって決まります。デジタルからアナログへの変換によって信号が劣化する可能性があるため、アプリケーションの観点からエラーがほとんどない DAC を指定する必要があります。

DAC は、音楽プレーヤーでデジタル データ ストリームをアナログオーディオ信号に変換するのによく使用されます。また、テレビや携帯電話でデジタル ビデオ データをアナログ ビデオ信号に変換するのにも使用されます。これら 2 つのアプリケーションでは、周波数と解像度のトレードオフの両端で DAC が使用されます。オーディオ DAC は低周波数、高解像度のタイプで、ビデオ DAC は高周波数、低から中解像度のタイプです。

DAC は複雑であり、正確に適合したコンポーネントが必要であるため、最も特殊なものを除いて、集積回路(IC) として実装されます。これらは通常、アナログ回路とデジタル回路の両方を統合した金属酸化膜半導体(MOS)混合信号集積回路チップの形をとります。

ディスクリート DAC (パッケージ化された IC ではなく、複数の個別の電子部品から構成される回路) は、通常、軍用レーダーシステムで使用されるような、非常に高速で低解像度の電力を大量に消費するタイプです。非常に高速なテスト機器、特にサンプリングオシロスコープでも、ディスクリート DAC が使用されることがあります。

DAC は、抽象的な有限精度の数値 (通常は固定小数点の 2 進数) を物理量 (電圧や圧力など)に変換します。特に、DAC は有限精度の時系列データを連続的に変化する物理信号に変換するためによく使用されます。

信号の帯域幅がナイキスト・シャノンのサンプリング定理の要件を満たし（つまり、帯域幅がナイキスト周波数未満のベースバンド信号）、無限の解像度でサンプリングされた場合、理論的にはサンプリングされたデータから元の信号を再構築できます。ただし、ADC のフィルタリングでは、ナイキスト周波数を超えるすべての周波数を完全に除去することはできず、ベースバンド周波数範囲にエイリアシングします。また、ADC のデジタル サンプリング プロセスによって量子化誤差（丸め誤差）が発生し、低レベルのノイズとして現れます。これらの誤差は、対象アプリケーションの要件内に抑えることができます（たとえば、オーディオ アプリケーションの場合、人間の聴覚の限られたダイナミック レンジ内）。

DAC と ADC は、デジタル革命に大きく貢献した実現技術の一部です。例として、一般的な長距離電話の通話を考えてみましょう。発信者の声はマイクによってアナログ電気信号に変換され、次にアナログ信号は ADC によってデジタル ストリームに変換されます。デジタル ストリームはネットワーク パケットに分割され、他のデジタル データ(必ずしも音声とは限らない)とともに送信されることがあります。その後、パケットは送信先で受信されますが、各パケットはまったく異なるルートをたどり、正しい時間順序で送信先に到着しないこともあります。次に、デジタル音声データがパケットから抽出され、デジタル データ ストリームに組み立てられます。DAC はこれをアナログ電気信号に再変換し、オーディオ アンプを駆動します。オーディオアンプはスピーカーを駆動し、最終的に音が出ます。

現代のオーディオ信号のほとんどはデジタル形式（MP3やCDなど）で保存されており、スピーカーで聞くためにはアナログ信号に変換する必要があります。そのため、CDプレーヤー、デジタル音楽プレーヤー、PCサウンドカードにはDACが搭載されています。

専門的なスタンドアロン DAC は、ハイエンドのHi-Fiシステムにも使用されています。これらは通常、互換性のある CD プレーヤーまたは専用トランスポート (基本的には内部 DAC のない CD プレーヤー)のデジタル出力を受け取り、信号をアナログ ライン レベル出力に変換します。その後、アンプに送ってスピーカーを駆動します。

同様のデジタル-アナログ コンバーターは、USBスピーカーなどのデジタル スピーカーやサウンド カードにも使用されています。

Voice over IPアプリケーションでは、送信のためにまずソースをデジタル化する必要があるため、ADC を介して変換し、受信側で DAC を使用してアナログに再構築します。

ビデオ サンプリングは、ブラウン管 (デジタル ビデオの基礎作業の大部分はブラウン管を対象としていました) と人間の目の両方の高度に非線形な応答により、まったく異なるスケールで動作する傾向があります。ガンマ曲線を使用して、ディスプレイのダイナミック レンジ全体にわたって均等に分散された明るさのステップの外観を提供します。そのため、コンピューター ビデオ アプリケーションでは、各チャネルの各出力レベルに対して DAC にハードコードされた値を設計することが非現実的になるほど深い色解像度を持つRAMDACを使用する必要があります (たとえば、Atari ST または Sega Genesis では 24 個の値が必要で、24 ビットのビデオ カードでは 768 個必要になります...)。この固有の歪みを考慮すると、テレビやビデオ プロジェクターが 8 ビット精度の信号しか受け付けず、チャネルあたり 6 ビットまたは 7 ビットしか表さない LCD パネルを使用しているにもかかわらず、1000:1 以上の線形コントラスト比 (最も暗い出力レベルと最も明るい出力レベルの差) を正直に主張することは珍しくありません。これは、オーディオ精度の 10 ビットに相当します。

コンピュータなどのデジタルソースからのビデオ信号をアナログモニターに表示するには、アナログ形式に変換する必要があります。2007 年の時点では、アナログ入力はデジタルよりも一般的に使用されていましたが、DVIやHDMI接続を備えたフラットパネルディスプレイが普及するにつれて状況は変わりました。^{[出典が必要]ただし、ビデオ DAC は、アナログ出力を備えたデジタルビデオプレーヤーに組み込まれています。DAC は通常、}ガンマ補正、コントラスト、明るさの変換テーブルを含むメモリ( RAM )と統合され、RAMDACと呼ばれるデバイスを構成します。

DAC と関係の薄いデバイスとして、アナログ信号をデジタルで制御するために使用される デジタル制御ポテンショメータがあります。

1 ビットの機械式アクチュエータは、オンのときとオフのときの 2 つの位置を取ります。複数の 1 ビット アクチュエータの動きを組み合わせ、ウィッフルツリー機構で重み付けすることで、より細かいステップを作成できます。IBM Selectricタイプライターはこのようなシステムを使用しています。^[1]

DAC は、デジタル定義の送信信号の生成を可能にする現代の通信システムで広く使用されています。高速 DAC はモバイル通信に使用され、超高速 DAC は光通信システムで採用されています。

最も一般的な電子DACの種類は以下のとおりです。^[2]

• 安定した電流または電圧が、デジタル入力コードによって決定される期間でローパスアナログ フィルターに切り替えられるパルス幅変調器。この技術は、電気モーターの速度制御やLED ランプの調光によく使用されます。
• オーバーサンプリング DAC または補間 DAC (デルタ シグマ変調を採用したものなど) は、オーバーサンプリングによるパルス密度変換技術を使用します。オーディオ デルタ シグマ DAC は、384 kHz のサンプリング レートと 24 ビットの解像度で販売されていますが、固有のノイズのために品質は低くなります (§ 性能指数を参照)。一部の民生用電子機器では、 1 ビット DACと呼ばれるタイプのオーバーサンプリング DAC が使用されています。
• バイナリ加重DACは、DACの各ビットに個別の電気部品が含まれ、加算点（通常はオペアンプ）に接続されています。加算の各入力は2の累乗で重み付けされ、最大電流または電圧が最上位ビットになります。これは最も高速な変換方法の1つですが、個々の電圧または電流に高い精度が求められるため、精度が低くなります。^[3]
  • スイッチ抵抗DAC には並列抵抗ネットワークが含まれています。個々の抵抗は、デジタル入力に基づいてネットワーク内で有効化またはバイパスされます。
  • デジタル入力に基づいて異なる電流源が選択されるスイッチ電流源DAC。

    

  • スイッチドキャパシタDAC には並列キャパシタ ネットワークが含まれています。個々のキャパシタは、入力に基づいてスイッチによって接続または切断されます。
  • R -2R ラダーDAC は、抵抗値 R と 2R の繰り返しカスケード構造を使用するバイナリ重み付け DAC です。これにより、等しい値の一致した抵抗器を比較的簡単に製造できるため、精度が向上します。
• 逐次近似型または巡回型DAC ^[4]は、各サイクルで出力を連続的に構築します。デジタル入力の個々のビットは、入力全体が処理されるまで各サイクルで処理されます。
• 温度計コード化DACは、DAC出力の各可能な値に対して等しい抵抗または電流源セグメントを含みます。8ビット温度計DACには255セグメント、16ビット温度計DACには65,535セグメントがあります。これは高速で最高精度のDACアーキテクチャですが、多くのコンポーネントを必要とするため、実際の実装では製造に高密度のICプロセスが必要です。^[5]
• ハイブリッド DAC は、上記の技術を 1 つのコンバーターで組み合わせて使用​​します。1 つのデバイスで低コスト、高速、高精度を実現するのが難しいため、ほとんどの DAC 集積回路はこのタイプです。
  • セグメント化された DAC は、最上位ビットにサーモメータコード化原理を、最下位ビットにバイナリ加重原理を組み合わせています。このようにして、精度 (サーモメータコード化原理の使用による) と抵抗器または電流源の数 (バイナリ加重原理の使用による) の間で妥協点が生まれます。完全なバイナリ加重設計は 0% のセグメント化を意味し、完全なサーモメータコード化設計は 100% のセグメント化を意味します。
• このリストに示されているほとんどのDACは、一定の基準電圧または電流を使用して出力値を生成します。一方、乗算型DAC ^[6]は、可変入力電圧または電流を変換基準として使用します。これにより、変換回路の帯域幅に設計上の制約が加わります。
• 現代の高速DACは、複数のDACコアを並列に使用するインターリーブアーキテクチャを採用しています。これらの出力信号はアナログ領域で結合され、結合されたDACの性能が向上します。^[7]信号の結合は、時間領域でも周波数領域でも実行できます。

DACの最も重要な特性は以下のとおりです。^[要出典]

解決

DAC が再現するように設計されている可能な出力レベルの数。これは通常、レベル数の 2 進対数であるビット数として表されます。たとえば、1 ビット DAC は 2 (2 ¹ ) レベルを再現するように設計されており、8 ビット DAC は 256 (2 ^{8 ) レベルを再現するように設計されています。解像度は、DAC によって達成される実際の解像度の測定値である}有効ビット数に関連しています。解像度は、ビデオ アプリケーションでは色深度、オーディオ アプリケーションではオーディオ ビット深度を決定します。

最大サンプリングレート

DAC 回路が動作して正しい出力を生成できる最大速度。ナイキスト-シャノンのサンプリング定理は、これとサンプリングされた信号の帯域幅の関係を定義します。

単調性

DAC のアナログ出力がデジタル入力と同じ方向にのみ移動する能力 (つまり、入力が増加しても、正しい出力をアサートする前に出力が低下することはありません)。この特性は、低周波信号源として、またはデジタルでプログラム可能なトリム要素として使用される DAC にとって非常に重要です。^{[引用が必要]}

全高調波歪みとノイズ（THD+N）

DAC によって信号に導入される歪みとノイズの測定値。これは、目的の信号に付随する不要な高調波歪みとノイズの合計電力のパーセンテージとして表されます。

ダイナミックレンジ

DAC が再生できる最大信号と最小信号の差をデシベルで表した測定値。これは通常、解像度とノイズ フロアに関係します。

位相歪みやジッタなどの他の測定も、一部のアプリケーションでは非常に重要になる場合があります。その一部 (ワイヤレス データ伝送、複合ビデオなど) では、位相調整された信号の正確な生成が求められる場合もあります。

非線形 PCM エンコーディング (A-law / μ-law、ADPCM、NICAM) は、各データ ビットによって表される出力信号の強度間の対数ステップ サイズを使用して、有効なダイナミック レンジを改善しようとします。これにより、大きな信号の量子化歪みが大きくなり、静かな信号のパフォーマンスが向上します。

• 静的パフォーマンス:
  • 微分非直線性（DNL）は、隣接する2つのコードのアナログ値が理想的な1 LSBステップからどれだけずれているかを示します。^[8]
  • 積分非直線性（INL）は、DACの伝達特性が理想特性からどれだけずれているかを示します。つまり、理想的な特性は通常直線であり、INLは特定のコード値における実際の電圧がその直線からどれだけずれているかをLSB（1LSBステップ）単位で示します。^[8]
  • ゲインエラー^[8]
  • オフセット誤差^[8]
  • ノイズは、最終的には抵抗器などの受動部品によって生成される熱ノイズによって制限されます。オーディオ アプリケーションの場合、室温では、このようなノイズは通常、1 μV (マイクロボルト) のホワイト ノイズよりわずかに小さくなります。これにより、24 ビット DAC でも、実質的に解像度は 20 ～ 21 ビット未満に制限されます。 
• 周波数領域のパフォーマンス
  • スプリアスフリーダイナミックレンジ（SFDR）は、変換された主信号の電力と最大の不要なスプリアスの比率をdBで示します。^[8]
  • 信号対雑音比（SINAD）は、変換された主信号の電力と、雑音と生成された高調波スプリアスの合計との比をdBで表します^[8]
  • i次高調波歪み（HDi）は、変換された主信号のi次高調波の電力を示す。
  • 全高調波歪み（THD）は、入力信号のすべての高調波の電力の合計です^[8]
  • 最大DNLが1 LSB未満の場合、D/Aコンバータは単調であることが保証されます。ただし、多くの単調コンバータでは最大DNLが1 LSBを超える場合があります。^[8]
• 時間領域パフォーマンス:
  • グリッチインパルス領域（グリッチエネルギー）^[8]

• I²S  – 2チャンネルデジタルオーディオ用のシリアル通信プロトコル

• ケスター、ウォルト（2005）、『データ変換ハンドブック』、ニューネス、ISBN 0-7506-7841-0
• S. Norsworthy、Richard Schreier、Gabor C. Temes、デルタ シグマ データ コンバーター。ISBN 0-7803-1045-4。 
• Mingliang Liu、「スイッチドキャパシタ回路の謎を解明する」。ISBN 0-7506-7907-7。 
• Behzad Razavi、『データ変換システム設計の原則』。ISBN 0-7803-1093-4。 
• Phillip E. Allen、Douglas R. Holberg、『CMOSアナログ回路設計』。ISBN 0-19-511644-5。 
• Robert F. Coughlin、Frederick F. Driscoll、『オペアンプとリニア集積回路』。ISBN 0-13-014991-8。 
• A Anand Kumar、「デジタル回路の基礎」。ISBN 81-203-1745-9、ISBN 978-81-203-1745-1。  
• Ndjountche Tertulien、「CMOS アナログ集積回路: 高速かつ電力効率の高い設計」。ISBN 978-1-4398-5491-4。 

• 「ADC および DAC 用語集」。2009 年 12 月 13 日にオリジナルからアーカイブされました。
• 高解像度乗算型DACはAC信号を処理する
• R-2R ラダー DAC を回路図で説明します。
• 高速、高解像度D/Aコンバータの動的評価HD、IMD、NPR測定の概要と量子化ノイズの導出も含まれています。