디지털/아날로그 변환기

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전자제품에서 디지털-아날로그 변환기(DAC, D/A, D2A 또는 D-A)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 시스템입니다.아날로그-디지털 변환기(ADC)는 역기능을 실행한다.

몇 가지 DAC 아키텍처가 있습니다.특정 애플리케이션에 대한 DAC의 적합성은 분해능, 최대 샘플링 주파수 등의 수치로 결정됩니다.디지털에서 아날로그로 변환하면 신호가 저하될 수 있으므로 응용 프로그램 측면에서 오류가 적은 DAC를 지정해야 합니다.

DAC는 일반적으로 디지털 데이터 스트림을 아날로그 오디오 신호로 변환하기 위해 음악 플레이어에서 사용됩니다.그것들은 또한 디지털 비디오 데이터를 아날로그 비디오 신호로 변환하기 위해 텔레비전과 휴대폰에서 사용된다.이 두 애플리케이션은 주파수/분해능 트레이드오프의 반대쪽 끝에서 DAC를 사용합니다.오디오 DAC는 저주파, 고해상도 타입이며 비디오 DAC는 고주파 저해상도 타입입니다.

컴포넌트가 복잡하고 정확하게 일치해야 하기 때문에 가장 특수한 DAC를 제외한 모든 DAC가 집적회로(IC)로 구현됩니다.이들은 일반적으로 아날로그 회로와 디지털 회로를 모두 집적하는 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) 혼합 신호 집적회로 칩의 형태를 취합니다.

이산 DAC(패키지화된 IC 대신 여러 이산 전자 부품으로 구성된 회로)는 일반적으로 군용 레이더 시스템에 사용되는 초고속의 저분해능 전력 소모 유형이다.초고속 테스트 장비, 특히 샘플링 오실로스코프에서도 개별 DAC를 사용할 수 있습니다.

개요

DAC는 추상적인 유한 정밀도 수(일반적으로 고정점 이진수)를 물리량(예: 전압 또는 압력)으로 변환합니다.특히 DAC는 유한정밀 시계열 데이터를 지속적으로 변화하는 물리적 신호로 변환하는 데 자주 사용됩니다.

Nyquist-Shannon 샘플링 정리에 따라 DAC는 대역폭이 특정 요건(예를 들어 대역폭이 Nyquist 주파수보다 작은 베이스밴드 신호)을 충족한다면 샘플링된 데이터에서 원래 신호를 재구성할 수 있습니다.디지털 샘플링은 재구성된 신호에 로우 레벨 노이즈로 나타나는 양자화 오류(반올림 오류)를 발생시킵니다.

적용들

DAC와 ADC는 디지털 혁명에 크게 기여한 활성화 기술의 일부입니다.예를 들면, 일반적인 장거리 전화에 대해 생각해 봅시다.발신자의 음성은 마이크에 의해 아날로그 전기 신호로 변환되고, 아날로그 신호는 ADC에 의해 디지털 스트림으로 변환됩니다.그 후 디지털 스트림은 네트워크 패킷으로 분할되어 오디오가 아닌 다른 디지털 데이터와 함께 전송이 가능합니다.그 후, 패킷은 수신처에서 수신되지만, 각 패킷은 전혀 다른 루트를 사용해, 올바른 시간 순서로 수신처에 도착하지 않는 경우가 있습니다.그 후, 디지털 음성 데이터는 패킷으로부터 추출되어 디지털 데이터 스트림에 조립된다.DAC는 이를 아날로그 전기 신호로 변환하여 오디오 앰프를 구동하고, 오디오 앰프는 라우드스피커를 구동하여 최종적으로 소리를 생성합니다.

오디오

대부분의 최신 오디오 신호는 디지털 형식(예를 들어 MP3 및 CD)으로 저장되며 스피커를 통해 들으려면 아날로그 신호로 변환되어야 합니다.따라서 DAC는 CD 플레이어, 디지털 음악 플레이어 및 PC 사운드 카드에 있습니다.

전문 스탠드아론 DAC는 하이엔드 하이파이 시스템에도 있습니다.일반적으로 호환성이 있는 CD 플레이어 또는 전용 트랜스포트(기본적으로 내부 DAC가 없는 CD 플레이어)의 디지털 출력을 받아 신호를 아날로그 라인 레벨 출력으로 변환한 다음 앰프에 공급하여 스피커를 구동할 수 있습니다.

USB 스피커등의 디지털 스피커나 사운드 카드에도, 같은 디지털/아날로그 변환기가 탑재되어 있습니다.

Voice over IP 애플리케이션에서는, 우선 송신용으로 송신원을 디지털화할 필요가 있기 때문에, ADC 를 개입시켜 변환해, 수신측의 DAC 를 사용해 아날로그로 재구축 됩니다.

비디오

비디오 샘플링은 브라운관(디지털 비디오 기초 작업의 대부분이 대상)과 사람의 눈 모두 매우 비선형적인 응답으로 인해 완전히 다른 스케일로 동작하는 경향이 있으며, "감마 곡선"을 사용하여 디스플레이 전체에 고르게 분포된 밝기 단계를 제공합니다.ic range - 따라서 각 채널의 각 출력 레벨에 대해 DAC에 하드코딩된 값을 적용할 수 있을 만큼 충분한 색 해상도를 가진 컴퓨터 비디오 애플리케이션에서 RAMDAC를 사용해야 합니다(예: Atari ST 또는 Sega Genesis는 24개의 값을 필요로 하며, 24비트 비디오 카드에는 768...).텔레비전 또는 비디오 프로젝터가 8비트의 정밀도로 신호를 수신하고, 다음과 같은 LCD 패널만을 사용하는 경우에도 1000:1 이상의 선형 콘트라스트비(가장 어두운 출력 레벨과 가장 밝은 출력 레벨의 차이)를 실제로 주장하는 것은 드문 일이 아닙니다.ts 6 또는 7 비트/채널

컴퓨터와 같은 디지털 소스로부터의 비디오 신호는 아날로그 모니터에 표시되어야 할 경우 아날로그 형식으로 변환되어야 합니다.2007년 당시에는 디지털보다 아날로그 입력이 더 많이 사용되었지만 DVI 및/또는 HDMI 연결을 갖춘 평면 패널 디스플레이가 널리 ^{[citation needed]}보급됨에 따라 이 방식이 바뀌었습니다.단, 비디오 DAC는 아날로그 출력을 가진 디지털 비디오 플레이어에 내장되어 있습니다.DAC는 보통 감마 보정, 대비 및 밝기를 위한 변환 테이블을 포함하는 일부 메모리(RAM)와 통합되어 RAMDAC라고 불리는 장치를 만듭니다.

디지털 전위차계

DAC와 원거리적으로 관련된 장치는 디지털 제어 전위차계이며 아날로그 신호를 디지털로 제어하는 데 사용됩니다.

기계

1비트 기계식 액추에이터는 두 가지 위치를 차지합니다. 하나는 켜져 있을 때이고 다른 하나는 꺼질 때입니다.여러 개의 1비트 액추에이터의 움직임을 결합하고 휘플릿트리 메커니즘과 함께 가중치를 부여하여 보다 미세한 단계를 생성할 수 있습니다.IBM Selectric 타자기는 이러한 ^[1]시스템을 사용합니다.

통신

DAC는 디지털 정의 전송 신호의 생성을 가능하게 하는 최신 통신 시스템에서 널리 사용됩니다.이동통신에는 고속 DAC가, 광통신 시스템에는 초고속 DAC가 사용된다.

종류들

가장 일반적인 유형의 전자 DAC는 다음과 같습니다.^[2]

• 안정된 전류 또는 전압이 디지털 입력 코드에 의해 결정되는 지속 시간을 갖는 로우패스 아날로그 필터로 전환되는 펄스 폭 변조기.이 기술은 전기 모터 속도 제어 및 LED 램프 조광에 자주 사용됩니다.
• 오버샘플링 DAC 또는 델타 시그마 변조를 사용하는 DAC와 같은 보간 DAC는 오버샘플링과 함께 펄스 밀도 변환 기술을 사용합니다.델타 시그마 DAC를 사용하면 초당 10만 샘플 이상의 속도(예: 192kHz)와 24비트 분해능을 얻을 수 있습니다.
• 이진 가중치 DAC - SUM 포인트(일반적으로 연산 증폭기)에 연결된 DAC의 각 비트에 대한 개별 전기 구성 요소를 포함합니다.합계의 각 입력은 가장 중요한 비트에서 가장 많은 전류 또는 전압을 갖는 2의 거듭제곱 값을 가집니다.이러한 정확한 전압 또는 전류는 올바른 출력 값으로 합산됩니다.이는 가장 빠른 변환 방법 중 하나이지만 각 전압 또는 ^[3]전류에 대해 높은 정밀도가 요구되기 때문에 정확도가 떨어집니다.이러한 유형의 컨버터는 보통 8비트 이하의 ^{[citation needed]}해상도로 제한됩니다.
  • 스위치드 저항 DAC에는 병렬 저항 네트워크가 포함되어 있습니다.개별 저항기는 디지털 입력에 따라 네트워크에서 활성화되거나 바이패스됩니다.
  • 디지털 입력을 기반으로 서로 다른 전류 소스가 선택되는 스위치드 전류 소스 DAC.
  • 스위치드 캐패시터 DAC에는 병렬 캐패시터 네트워크가 포함되어 있습니다.개별 캐패시터는 입력에 따라 스위치로 연결 또는 분리됩니다.
  • 저항값 R과 2R의 반복 캐스케이드 구조를 사용하는 이진 가중 DAC인 R-2R 래더 DAC.이렇게 하면 동일한 값의 일치 저항기를 비교적 쉽게 생산할 수 있기 때문에 정밀도가 향상됩니다.
• 연속 근사 또는 순환 ^[4]DAC. 각 사이클 동안 출력을 순차적으로 구성합니다.디지털 입력의 개별 비트는 입력 전체가 고려될 때까지 사이클마다 처리된다.
• 온도계로 코딩된 DAC. DAC 출력의 각 가능한 값에 대해 동일한 저항 또는 전류 소스 세그먼트를 포함합니다.8비트 온도계 DAC에는 255개의 세그먼트가 있으며 16비트 온도계 DAC에는 65,535개의 세그먼트가 있습니다.이것은 빠르고 정밀도가 가장 높은 DAC 아키텍처이지만 많은 컴포넌트를 필요로 합니다.실제로 구현하기 위해서는 제조에 고밀도 ^[5]IC 프로세스가 필요합니다.
• 하이브리드 DAC: 단일 컨버터에서 위의 기술을 조합하여 사용합니다.대부분의 DAC 집적회로는 하나의 디바이스로 저비용, 고속, 고정밀을 얻기 어렵기 때문에 이 타입입니다.
  • 세그먼트 DAC: 최상위 비트에 대한 온도계 코드화 원리와 최하위 비트에 대한 이진 가중치 원리가 결합됩니다.이 방법으로 정밀도(온도계 코드화 원리 사용)와 저항 또는 전류원 수(이진가중치 원리 사용) 사이에서 타협점을 얻을 수 있다.전체 이진 가중 설계는 0% 분할을 의미하며, 전체 온도계 코드 설계는 100% 분할을 의미합니다.
• 이 목록에 표시된 대부분의 DAC는 일정한 기준 전압 또는 전류를 사용하여 출력 값을 생성합니다.또는 곱셈^[6] DAC는 가변입력전압 또는 전류를 변환기준으로 한다.이로 인해 변환회선의 대역폭에 설계상의 제약이 가중됩니다.
• 현대의 고속 DAC에는 인터리브 아키텍처가 있으며, 이 아키텍처에서는 여러 개의 DAC 코어가 병렬로 사용됩니다.이러한 출력 신호는 아날로그 도메인에서 결합되어 결합된 ^[7]DAC의 성능을 향상시킵니다.신호의 조합은 시간 영역 또는 주파수 영역에서 수행할 수 있습니다.

성능

DAC의 가장 중요한 특징은 다음과 같습니다.^{[citation needed]}

결의안

DAC가 재현하도록 설계된 가능한 출력 레벨의 수.이는 보통 사용하는 비트 수로 표시되며, 이는 레벨 수에 대한 이진 로그입니다.예를 들어, 1비트 DAC는 2레벨을¹ 재현하도록 설계되어 있으며, 8비트 DAC는 256레벨을⁸ 재현하도록 설계되어 있습니다.분해능은 DAC에 의해 달성된 실제 분해능의 측정값인 유효 비트 수와 관련이 있습니다.해상도는 비디오 애플리케이션의 색심도 및 오디오 애플리케이션의 오디오 비트 심도를 결정합니다.

최대 샘플링 속도

DAC 회로가 동작하면서 올바른 출력을 생성할 수 있는 최대 속도입니다.Nyquist-Shannon 샘플링 정리는 샘플링된 신호의 대역폭과 이 사이의 관계를 정의합니다.

단조성

DAC의 아날로그 출력이 디지털 입력이 이동하는 방향으로만 이동하는 기능(즉, 입력이 증가해도 올바른 출력을 주장하기 전에 출력이 저하되지 않음)이 특성은 저주파 신호 소스 또는 디지털 프로그래밍 가능한 트림 ^{[citation needed]}소자로 사용되는 DAC에 매우 중요합니다.

총 고조파 왜곡 및 노이즈(THD+N)

DAC에 의해 신호에 도입된 왜곡 및 노이즈 측정.원하는 신호에 수반되는 불필요한 고조파 왜곡과 노이즈의 총 전력에 대한 비율로 표시됩니다.

다이내믹 레인지

DAC가 재생할 수 있는 최대 신호와 최소 신호 간의 차이를 데시벨 단위로 측정한 값입니다.이는 보통 분해능과 노이즈 플로어와 관련이 있습니다.

위상 왜곡이나 지터와 같은 다른 측정도 일부 애플리케이션에 매우 중요할 수 있습니다. 일부 애플리케이션(무선 데이터 전송, 복합 비디오 등)은 위상 조정된 신호의 정확한 생성에 의존할 수도 있습니다.

비선형 PCM 인코딩(A-law/μ-law, ADPCM, NICAM)은 각 데이터 비트로 표현되는 출력 신호 강도 사이의 로그 단계 크기를 사용하여 유효 동적 범위를 개선하려고 합니다.이것에 의해, 노이즈가 큰 신호의 양자화 왜곡이 증가해, 조용한 신호의 퍼포먼스가 향상됩니다.

유공자

• 정적 퍼포먼스:
  • DNL(Differential 비선형성)은 2개의 인접 코드 아날로그 값이 이상적인1 LSB ^[8]스텝에서 얼마나 어긋나 있는지를 나타냅니다.
  • 적분 비선형성(INL)은 DAC 전송 특성이 이상적인 특성에서 얼마나 벗어나는지를 나타냅니다.즉, 이상적인 특성은 보통 직선입니다.INL은 특정 코드 값에서의 실제 전압과 LSB(1LSB 스텝)^[8]의 차이를 나타냅니다.
  • 게인^[8] 에러
  • 오프셋^[8] 오류
  • 노이즈는 저항기 등의 패시브 컴포넌트에 의해 발생하는 열 노이즈에 의해 최종적으로 제한됩니다.오디오 어플리케이션이나 실온에서 이러한 노이즈는 보통 백색 노이즈의 1μV(마이크로볼트) 미만입니다.따라서 24비트 DAC에서도 성능이 20~21비트 미만으로 제한됩니다.
• 주파수 영역의 퍼포먼스
  • spurious-free dynamic range(SFDR; 스플리어스 프리 다이내믹 레인지)는 변환된 메인 신호의 파워와 가장 바람직하지 않은 ^[8]스퍼의 비율을 dB 단위로 나타냅니다.
  • 신호 대 잡음 및 왜곡(SINAD)은 변환된 주 신호의 출력과 노이즈 및 생성된 고조파^[8] 스퍼의 합계 사이의 비율을 dB 단위로 나타냅니다.
  • i번째 고조파 왜곡(HDi)은 변환된 주 신호의 i번째 고조파의 거듭제곱을 나타냅니다.
  • 총 고조파 왜곡(THD)은 입력 신호의^[8] 모든 고조파 전력의 합계입니다.
  • 최대 DNL이 1 LSB 미만일 경우 D/A 컨버터는 단조로움을 보증합니다.단, 많은 모노톤컨버터에서는 최대 DNL이 1LSB보다 ^[8]클 수 있습니다.
• 시간 영역 성능:
  • 글리치 임펄스 영역(글리치 에너지)^[8]

「 」를 참조해 주세요.

• I²S – 디지털 오디오용 시리얼 인터페이스

레퍼런스

추가 정보

• Kester, Walt (2005), The Data Conversion Handbook, ISBN 0-7506-7841-0
• S. Norsworthy, 리처드 슈라이어, Gabor C.템, 델타 시그마 데이터 변환기ISBN 0-7803-1045-4.
• Mingliang Liu, 스위치드 캐패시터 회로 식별 해제ISBN 0-7506-7907-7.
• Behzad Razavi, 데이터 변환 시스템 설계 원리ISBN 0-7803-1093-4.
• 필립 E.앨런, 더글러스 R.Holberg, CMOS 아날로그 회로 설계ISBN 0-19-511644-5.
• 로버트 F.코플린, 프레데릭 F.Driscell, Operational Amplifier 및 Linear Integrated Circuit.ISBN 0-13-014991-8.
• A Anand Kumar, 디지털 회선의 기초.ISBN 81-203-1745-9, ISBN 978-81-203-1745-1.
• Ndjountche Tertulien, "CMOS 아날로그 집적회로:고속으로 전력 절약성이 뛰어난 설계」.ISBN 978-1-4398-5491-4.

외부 링크

• "ADC and DAC Glossary". Archived from the original on 2009-12-13.
• AC신호를 처리하는 고해상도 다중 DAC
• R-2R Ladder DAC는 회로 다이어그램으로 설명되었습니다.
• 고속, 고해상도 D/A 컨버터의 동적 평가 HD, IMD 및 NPR 측정 개요.양자화 노이즈의 도출도 포함됩니다.