デジタル-アナログ変換器

電子工学において、デジタル・アナログ変換器（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・デジタル変換器（ADC）は、その逆の機能を実行します。

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ために一般的に使用されています。また、テレビや携帯電話でも、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ために使用されています。これら2つの用途では、周波数と解像度のトレードオフにおいて正反対の特性を持つDACが使用されています。オーディオDACは低周波数・高解像度タイプであるのに対し、ビデオDACは高周波・低～中解像度タイプです。

DACにはいくつかのアーキテクチャがあり、特定のアプリケーションにおける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標によって決定されます。デジタル・アナログ変換は信号を劣化させる可能性があるため、アプリケーションの観点から誤差が小さいDACを選択する必要があります。

複雑な構造と精密にマッチングされた部品が必要となるため、ごく特殊なものを除き、すべてのDACは集積回路（IC）として実装されています。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、一般的に軍用レーダーシステムなどで使用されるような、極めて高速で低解像度、かつ消費電力の大きいタイプである。超高速試験装置、特にサンプリングオシロスコープにも、ディスクリートDACが使用されることがある。

DACは、抽象的な有限精度数（通常は固定小数点バイナリ数）を物理量（例えば、電圧や圧力）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・シャノン標本化定理の要件（すなわち、ベースバンド信号の帯域幅がナイキスト周波数より小さいこと）を満たし、かつ無限の分解能でサンプリングされている場合、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成できます。しかし、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が発生します。また、ADCのデジタルサンプリング処理では量子化誤差（丸め誤差）が発生し、これが低レベルのノイズとして現れます。これらの誤差は、対象となるアプリケーションの要件（例えば、オーディオアプリケーションにおける人間の聴覚の限られたダイナミックレンジ）の範囲内に抑えることができます。

一般的な電話通話では、マイクロホンが音声をアナログ電気信号に変換し、それがADCによってデジタル化されます。得られたデジタルデータは、共有通信システムを介して送信するために、他のデジタル情報と多重化することができます。受信側では、DACがデジタル信号をアナログ形式に戻し、増幅して音として再生できるようにします。^{[ 1 ]}

オーディオ

現代のオーディオ信号のほとんどはデジタル形式（例えばMP3やCD）で保存されており、スピーカーから再生するにはアナログ信号に変換する必要があります。そのため、DACはCDプレーヤー、デジタル音楽プレーヤー、PCのサウンドカードなどに搭載されています。

ハイエンドのオーディオシステムには、専用のスタンドアロンDACが搭載されている場合もあります。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DACを内蔵していないCDプレーヤー）のデジタル出力を受け取り、その信号をアナログ ラインレベル出力に変換します。このアナログ信号はアンプに送られ、スピーカーを駆動します。

同様のデジタル-アナログ変換器は、 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見られます。

音声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による変換が行われ、受信側でDACを使用してアナログ信号に再構成されます。

最も一般的な電子DACの種類は次のとおりです。^{[ 6 ]}

• パルス幅変調（PWM）とは、デジタル入力コードによって決定される持続時間で、安定した電流または電圧を低域通過アナログフィルタに入力する方式です。この技術は、電動機の速度制御やLEDランプの調光によく用いられます。
• オーバーサンプリングDACやデルタシグマ変調を採用した補間DACなどは、オーバーサンプリングを用いたパルス密度変換技術を使用します。オーディオ用デルタシグマDACは、 384kHz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音質は低下します（§ 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。
• バイナリ重み付けDACは、DACの各ビットに対応する個別の電気部品が加算点（通常は演算増幅器）に接続されている。加算における各入力は2のべき乗で重み付けされ、最も電流または電圧が大きいビットが最上位ビットとなる。これは最も高速な変換方法の1つであるが、個々の電圧または電流に高い精度が要求されるため、精度が低いという欠点がある。^{[ 7 ]}
  • スイッチド抵抗DACは並列抵抗ネットワークを備えています。ネットワーク内の個々の抵抗は、デジタル入力に基づいて有効またはバイパスされます。^{[ 8 ]}
  • スイッチング電流源DAC ^{[ 9 ]}は、デジタル入力に基づいて異なる電流源を選択する。

    

  • スイッチドキャパシタ型DACは、並列接続されたコンデンサネットワークを備えています。個々のコンデンサは、入力に応じてスイッチで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します。^{[ 8 ]}これにより、同じ値のマッチング抵抗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、またはシリアル電荷再分配DACは、各変換サイクル中に出力を段階的に構築します^{[ 10 ]}。個々のビットは、最下位ビットから順に評価され、各ビットサイクルで電荷共有によりコンデンサの電圧が実質的に半分になります。最新の実装では、コンデンサの不一致によって引き起こされる変換エラーが低減されています。^{[ 11 ]}
• 温度計符号化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備えています。8ビット温度計DACは255セグメント、16ビット温度計DACは65,535セグメントを持ちます。これは高速かつ高精度なDACアーキテクチャですが、多くの部品が必要となるため、実用的な実装には高密度ICプロセスが必要となります。^{[ 12 ]}
• ハイブリッドDACは、上記の技術を単一のコンバータで組み合わせたものです。ほとんどのDAC集積回路はこのタイプです。これは、1つのデバイスで低コスト、高速、高精度を実現することが難しいためです。例としては、デルタシグマ変調器とそれに続く4ビットスイッチドキャパシタDACが挙げられます。これらのDACには、ダイナミックエレメントマッチング（DEM）が含まれていることがよくあります。^{[ 13 ]}
  • セグメント化DACは、最上位ビットにサーモメータ符号化方式を、最下位ビットにバイナリ重み付け方式を組み合わせたものです。これにより、精度（サーモメータ符号化方式の使用による）と抵抗器または電流源の数（バイナリ重み付け方式の使用による）との間で妥協点が得られます。完全なバイナリ重み付け設計ではセグメント化率は0%、完全なサーモメータ符号化設計ではセグメント化率は100%となります。
• このリストに示されているほとんどのDACは、出力値を生成するために一定の基準電圧または電流に依存しています。乗算DAC ^{[ 14 ]}は、可変の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。
• 最新の高速DACはインターリーブアーキテクチャを採用しており、複数のDACコアが並列に使用されます。出力信号はアナログ領域で合成され、合成DACの性能が向上します。^{[ 15 ]}信号の合成は、時間領域または周波数領域で行うことができます。

DACの最も重要な特性は以下のとおりです。

解決

DACが再現するように設計されている出力レベルの数。これは通常、使用するビット数で表され、レベル数の2進対数です。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によって実際に達成される解像度の測定値である}実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を、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回路が正しい出力を生成できる最大速度。ナイキスト・シャノン標本化定理は、この速度とサンプリングされた信号の帯域幅との関係を定義している。

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変化する能力（つまり、入力が増加しても、正しい出力が得られる前に出力が低下しない）。この特性は、低周波信号源として、またはデジタル的に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。

全高調波歪みとノイズ（THD+N）

DACによって信号に生じる歪みとノイズの測定値。これは、目的信号に伴う不要な高調波歪みとノイズの総電力に対する割合（パーセント）で表されます。

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値。これは通常、解像度とノイズフロアに関連している。

位相歪みやジッターなどの他の測定値も、一部のアプリケーションにとって非常に重要となる場合があり、その中には（例えば、無線データ伝送やコンポジットビデオなど）位相調整された信号の正確な生成に依存するものもある。

非線形PCM符号化方式（A則／μ則、ADPCM、NICAM）は、各データビットで表される出力信号強度間のステップサイズを対数的にすることで、実効ダイナミックレンジの向上を図ります。この方式では、大きな信号の量子化歪みが大きくなる代わりに、小さな信号の性能が向上します。

• 静的性能：
  • 微分非線形性（DNL）は、隣接する2つのコード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。^{[ 16 ]}
  • 積分非線形性（INL）は、DACの伝達特性が理想的な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（1  LSBステップ）単位で示します。^{[ 16 ]}
  • ゲイン誤差^{[ 16 ]}
  • オフセット誤差^{[ 16 ]}
  • ノイズは最終的に、抵抗器などの受動部品によって発生する熱雑音によって制限されます。オーディオ用途において、室温環境下では、このようなノイズは通常、 1μV（マイクロボルト）弱のホワイトノイズとなります。このため、24ビットDACであっても、解像度は実質的に20～21ビット未満に制限されます。 
• 周波数領域性​​能
  • 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電力の比をdBで示します。^{[ 16 ]}
  • 信号対雑音歪み（SINAD）は、変換された主信号の電力と、雑音および生成された高調波スプリアスの合計との比率をdBで示します^{[ 16 ]。}
  • i次高調波歪み（HDi）は、変換された主信号のi次高調波のパワーを示します。
  • 全高調波歪み（THD）は入力信号のすべての高調波のパワーの合計です^{[ 16 ]。}
  • 最大DNLが1 LSB未満であれば、D/Aコンバータはモノトニックであることが保証されます。ただし、多くのモノトニックコンバータは、最大DNLが1 LSBを超える場合があります。^{[ 16 ]}
• 時間領域のパフォーマンス：
  • グリッチインパルス領域（グリッチエネルギー）^{[ 16 ]}

• I²S – 2チャンネルデジタルオーディオ用シリアル通信プロトコル リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ 

• 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著、『スイッチドキャパシタ回路の解明』。ISBN 0-7506-7907-7。
• ベザード・ラザヴィ著、『データ変換システム設計の原理』。ISBN 0-7803-1093-4。
• フィリップ・E・アレン、ダグラス・R・ホルバーグ著『CMOSアナログ回路設計』ISBN 0-19-511644-5。
• ロバート・F・コフリン、フレデリック・F・ドリスコル著『演算増幅器と線形集積回路』ISBN 0-13-014991-8。
• A・アナンド・クマール著、『デジタル回路の基礎』。ISBN  81-203-1745-9ISBN​ 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が交流信号を処理
• R-2RラダーDACを回路図を用いて解説します。
• 高速・高解像度D/Aコンバータの動的評価では、 HD、IMD、NPRの測定について概説し、量子化ノイズの導出も含まれています。