DAC（D/Aコンバータ）とは
DAC（D/Aコンバータ）とは、デジタル量をアナログ量へ変換する回路です。 ロームの技術解説は、A/Dコンバータをこれと逆向きの変換器としています。
ロームは技術解説で、デジタル量とアナログ量を対にして区別しています。以下は同社の記述に沿います。デジタル量は、時間の刻みも値の刻みも飛び飛びで、刻みの間隔がそろった量です。アナログ量は自然界の現象そのもので、時間も値も途切れずに連続します。D/Aコンバータは前者から後者をつくる回路であり、A/Dコンバータはその逆を担います。
なぜ両方が要るのかについて、同社は演算のデジタル化を理由に挙げています。電気的に高度で高速な演算は、CPUやDSPがデジタルで受け持ちます。そこで自然界の現象をA/D変換で取り込み、デジタルで演算し、その結果を自然界の値へ返すためにD/Aコンバータを載せます。用途として同社が挙げているのは、CDやMDなどのデジタルオーディオ、DVDやデジタルスチルカメラなどのデジタルビデオ、スマートフォンやFAXなどの通信機器、パソコンの音源やビデオカード、プログラマブル電源などの測定器です。
分解能を上げる道は4通りあります
Section titled “分解能を上げる道は4通りあります”D/Aコンバータの分解能は、何段階のアナログ値を作り分けられるかを表します。同社は実現方法として、抵抗を用いるもの、キャパシタを用いるもの、電流源を用いるもの、オーバーサンプリング方式の4つを挙げています。
抵抗はLSI上で最も使いやすいアナログ素子とされ、比精度も比較的良く、トリミングなしで10ビット精度程度まで実現できるとしています。キャパシタはLSIでは抵抗より比精度が良いため中高精度のD/Aコンバータで使われますが、高精度には大きな容量が要り、充放電に時間がかかるため高速化は困難です。低い周波数ではリーク電流を補うリフレッシュも要ります。電流源は数MHz以上の高速用途向けで、デジタル入力で電流源を切り替え、出力電流を抵抗や演算増幅器で電圧へ直します。オーバーサンプリング方式は16ビット以上の高精度用途向けで、2値出力とローパスフィルタで構成する1ビットのデルタシグマ方式が一般的です。
同じ分解能でも、素子の数と精度の要求が入れ替わります
Section titled “同じ分解能でも、素子の数と精度の要求が入れ替わります”ロームの技術解説が挙げる2つの代表例では、同じ分解能へ届くために多く払うものが違います。以下の数値はいずれも同社が示す値です。
最も簡単なD/Aコンバータは抵抗分圧方式で、抵抗ストリングとも呼ばれます。基準電圧を抵抗で分圧し、スイッチで1か所を選ぶ方式です。長所は線形性に優れる点と、原理上、単調増加性が必ず保証される点です。短所は回路規模で、3ビットで8つの抵抗とスイッチ、4ビットで16個、10ビットでは1024個の抵抗とスイッチが要ります。分解能に対して回路規模が指数関数的に増える形です。
これを段に分ける手もあります。同社の2段構成の例では、6ビットの分解能に必要な抵抗とスイッチが16個と18個に収まります。1段構成なら、どちらも64個です。ただし段を増やすごとにアンプが2個要るため、速度はアンプ2つ分だけ遅れ、出力電圧にはアンプ2段分のオフセットが乗る可能性が生まれます。
もう1つの道がバイナリ方式です。代表例のR-2Rラダー回路は、どのノードから測っても抵抗値2Rが並列に入る形になるため、1ノードごとに電流値が半分になっていきます。NビットのD/Aコンバータに要る抵抗は3N本で、スイッチは小型のままで足り、デコーダも省けます。10ビット程度までなら小面積で作りやすく、他の方式と組み合わせれば14ビット程度まで届きます。そのかわり抵抗に要求される比精度が高く、MOSFETのサイズやレイアウトの工夫が要ります。とくにMSB側の抵抗を精度よく作る必要があります。
切り替えの瞬間に出る雑音を抑える工夫があります
Section titled “切り替えの瞬間に出る雑音を抑える工夫があります”デジタル値が切り替わる瞬間に、まったく別の電圧や電流が出てしまうことがあります。同社は、これによって出力のアナログ信号に乗る雑音をグリッチと呼んでいます。回避策の1つが温度計コード（サーモメーターコード）です。1がいくつあるかで数字を表す符号で、人が指を立てて数を数えるのと同じ考え方です。同社が示す抵抗モードと電流モードの例では、温度計コードで制御することでグリッチを避けられます。そのかわり、バイナリコードを温度計コードへ直すデコーダが、分解能に応じて指数関数的な回路規模になります。グリッチを消した分を、デコーダの面積で払う形です。
製品の公表値でも分解能がビット数で示されます
Section titled “製品の公表値でも分解能がビット数で示されます”ロームは公式ニュースリリースで、高音質オーディオ機器向けの32ビットD/AコンバータIC「BD34352EKV」を開発したと発表しています。以下は同社が公表した特定製品の値です。D/A変換回路を電流セグメントで構成し、SN比126dB、THD+N－112dBという数値性能を達成したとしています。デジタルフィルタでは、阻止帯域減衰量－150dB以下を実現したと記載しています。
同じリリースには、音源の側の数字も載っています。一般的な音楽用CDで再生される音楽はサンプリング周波数44.1kHz・量子化ビット数16ビットなのに対し、ハイレゾ音源はサンプリング周波数96kHz以上・量子化ビット数24ビット以上のデータが一般的とされています。分解能を上げる工夫が続く理由は、音源そのものの情報量が増えているところにあります。
用途の幅も公開されています。ルネサスは公式製品ページで、同社の高速・低消費電力のD/Aコンバータ製品が、通信システム、医療・試験用計測機器、映像アプリケーションに幅広く対応すると記載しています。
よくある質問（FAQ）
Section titled “よくある質問（FAQ）”DAC（D/Aコンバータ）とは何ですか？
デジタル量をアナログ量へ変換する回路です。ロームの技術解説は、A/Dコンバータをこれと逆向きの変換器としています。
A/Dコンバータとどう違いますか？
向きが逆です。ロームの技術解説によれば、演算をデジタルへ移したことで、自然界の現象を取り込むA/Dコンバータと、演算の結果を自然界の値へ返すD/Aコンバータの両方が必要になりました。機器の入口と出口をそれぞれ受け持つ関係です。
D/Aコンバータの分解能とは何ですか？
何段階のアナログ値を作り分けられるかを表すビット数です。ロームの技術解説が挙げる抵抗分圧方式の例では、3ビットで8段階、4ビットで16段階となり、段階の数が2のビット数乗で増えていきます。
抵抗分圧方式とR-2Rラダーはどちらが良いのですか？
何を優先するかで変わります。ロームの技術解説によれば、抵抗分圧方式は線形性に優れて単調増加性が原理上保証される一方、10ビットでは抵抗とスイッチが1024個ずつ要ります。R-2RラダーはNビットで抵抗3N本と少なく済む一方、抵抗どうしの比精度が高く要求されます。
グリッチとは何ですか？
データが切り替わる瞬間に、まったく別の電圧や電流が出てしまい、出力のアナログ信号に乗る雑音です。ロームの技術解説はこの現象をグリッチと呼んでいます。
温度計コードとは何ですか？
1がいくつあるかで数字を表す符号です。人が指を立てて数を数えるのと同じ考え方で、ロームの技術解説はグリッチの回避策の1つとして挙げています。そのかわり、バイナリコードを温度計コードへ直すデコーダが分解能に応じて指数関数的な回路規模になります。
どんな製品に入っていますか？
ロームの技術解説は、CDやMDなどのデジタルオーディオ、DVDやデジタルスチルカメラ、スマートフォンなどの通信機器、パソコンの音源やビデオカード、プログラマブル電源などの測定器を挙げています。ルネサスは公式製品ページで、通信システム、医療・試験用計測機器、映像アプリケーションを挙げています。
比較・違いを学ぶ
Section titled “比較・違いを学ぶ”- ADC（A/Dコンバータ）とは ── 向きが逆で、アナログ量をデジタル量へ変える回路です
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