디지털-아날로그 변환회로

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1. 개요
2. 디지털-아날로그 변환회로의 방식
3. DAC의 원리
4. DAC의 종류
5. RAMDAC
6. 오디오 기기의 DAC
7. DAC 성능
8. 성능 지수
참조

1. 개요

디지털-아날로그 변환 회로(DAC)는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 회로로, 디지털 혁명의 핵심 기술 중 하나이다. 펄스 폭 변조(PWM), 델타-시그마 변조, 이진 가중 방식 등 다양한 변환 방식이 있으며, 저항 래더형, 전류 출력형, 델타-시그마형 등 여러 종류의 DAC가 존재한다. DAC는 CD 플레이어, 사운드 카드, 디지털 스피커, 오디오 기기 등 다양한 기기에 사용되며, 최근에는 고음질을 위해 DAC를 외장형으로 사용하거나, 여러 개의 DAC를 조합하는 멀티 DAC 방식이 사용되기도 한다. DAC의 성능은 분해능, 최대 샘플링 속도, 단조성, THD+N(총 고조파 왜곡 및 노이즈), 다이내믹 레인지 등의 지표로 평가되며, 디지털 스피커와 같은 기술 개발을 통해 아날로그 신호 처리 과정을 최소화하고 있다.

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디지털-아날로그 변환회로
개요
유형	전자 회로, 반도체
기능	디지털 신호를 아날로그 신호로 변환
약칭	DAC, D/A 컨버터
관련 용어	아날로그-디지털 변환 회로(ADC)
작동 원리
기본 원리	디지털 코드에 따라 미리 정의된 아날로그 값(전압 또는 전류)을 출력
주요 구성 요소	레지스터 네트워크, 연산 증폭기, 기준 전압원
변환 과정	디지털 입력 값을 각 비트에 해당하는 가중치로 변환하여 합산
주요 특징
해상도	디지털 입력 비트 수에 따라 결정 (예: 8비트, 16비트, 24비트)
샘플링 속도	초당 변환 횟수 (Hz, kHz, MHz 단위)
정확도	이상적인 출력 값과 실제 출력 값의 차이
선형성	입력 코드 변화에 따른 출력 값 변화의 비례성
다이내믹 레인지	표현 가능한 신호의 최소 값과 최대 값의 비율
종류
저항 사다리형 DAC	R-2R 저항 네트워크를 사용, 간단한 구조, 고속 변환 가능
가중 저항 DAC	각 비트에 해당하는 저항 값을 사용, 높은 정확도, 저항 값 편차에 민감
전류 구동형 DAC	전류 소스를 스위칭하여 출력, 고속 동작, 노이즈에 강함
Δ-Σ DAC	오버샘플링과 노이즈 셰이핑 기술 사용, 고해상도, 오디오 응용에 적합
펄스 폭 변조(PWM) DAC	펄스 폭을 조절하여 출력, 간단한 구조, 마이크로컨트롤러에 내장
응용 분야
오디오 신호 처리	CD 플레이어, MP3 플레이어, 사운드 카드 등
비디오 신호 처리	디스플레이 장치, 그래픽 카드 등
산업 제어	모터 제어, 프로세스 제어 등
통신 시스템	무선 통신, 유선 통신 등
계측 장비	오실로스코프, 신호 발생기 등
성능 지표
총 고조파 왜곡 (THD)	신호 왜곡 정도를 나타내는 지표, 낮을수록 좋음
신호 대 잡음비 (SNR)	신호 세기와 잡음 세기의 비율, 높을수록 좋음
다이내믹 레인지 (DR)	표현 가능한 신호 범위, 넓을수록 좋음
직류 오프셋	출력 신호의 직류 성분, 낮을수록 좋음
관련 표준
AES3	디지털 오디오 인터페이스 표준
I²S	디지털 오디오 데이터 전송 인터페이스 표준
SPI	직렬 주변기기 인터페이스
USB	범용 직렬 버스
추가 정보
설계 고려 사항	전원 노이즈, 접지, 필터링, 레이아웃 등
제조사	Analog Devices, Texas Instruments, Maxim Integrated 등

2. 디지털-아날로그 변환회로의 방식

디지털-아날로그 변환회로(DAC)는 추상적인 숫자를 전압이나 압력과 같은 물리적인 양으로 변환한다. 특히 DAC는 시계열 데이터를 연속적으로 변화하는 물리적 신호로 바꾸는 데 자주 사용된다.

신호의 대역폭이 나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리를 만족하고, 무한 해상도로 샘플링되었다면, 원래 신호는 샘플링된 데이터로부터 이론적으로 재구성할 수 있다. 그러나 실제로는 ADC 필터링이 나이퀴스트 주파수 이상의 모든 주파수를 완전히 제거할 수 없어 앨리어싱이 발생하고, ADC의 디지털 샘플링 과정에서 양자화 오차가 발생하여 낮은 레벨의 노이즈가 생긴다. 이러한 오차는 응용 프로그램의 요구 사항 내에서 관리될 수 있다.

'''디지털-아날로그 변환회로의 방식'''
명칭	샘플링 속도(Hz)	분해력(bit)	특징	용도
저항 라다형	10M~DC	12~6	소면적, 낮은 소비전력	서보, 제어
저항 스트링형	1M~DC	12~6	소면적, 낮은 소비전력	전자 볼륨
전류 출력형	400M~DC	12~8	고속	영상 신호처리, 통신
델타시그마형	10M~100K(오버 샘플링)	24~18	높은 분해력	음성 처리

각 방식에 대한 자세한 내용은 해당 섹션을 참고하면 된다.

2. 1. 저항 라다형

저항 라다형은 소면적, 낮은 소비 전력의 특징을 가지며, 서보 및 제어에 사용된다. 샘플링 속도는 10M~DC, 분해력은 12~6 비트이다.

연산 증폭기를 이용한 연산 기능을 사용하며, 저항의 온-오프나 전압 인가로부터 목표 전압을 얻는다. R-2R 래더형 저항 회로(2 종류의 저항을 조합한 회로)에 의한 것이 유명하다.

DAC와 어느 정도 관련된 장치로는 아날로그 신호를 디지털 방식으로 제어하는 디지털 제어 가변 저항이 있다.

2. 2. 저항 스트링형

소면적, 낮은 소비전력의 특징을 갖는다.^[1] 주로 전자 볼륨에 사용된다.^[1]

저항 스트링형 DAC의 특징
샘플링 속도(Hz)	분해력(bit)	용도
1M~DC	12~6	전자 볼륨

2. 3. 전류 출력형

전류 출력형 DAC는 고속이라는 특징을 가지며, 영상 신호 처리 및 통신에 사용된다.^[1]

디지털-아날로그 변환회로(DAC)의 방식
명칭	샘플링 속도(Hz)	분해력(bit)	특징	용도
전류 출력형	400M ~ DC	12 ~ 8	고속	영상 신호처리, 통신

가중 저항형이라고도 불린다. 스위치를 통해 비트에 따라 가중된 저항을 병렬로 연결한다. 여기에 전압을 가하면 총 전류량은 스위치로 켠 저항에 흐르는 전류의 총합이 되며, 결과적으로 2진수에 비례하는 전류가 흐른다. 비트 수만큼의 저항과 스위치가 기본 구성이며, 고속화가 용이하다.

일반적으로 전류 출력을 전압으로 변환하여 이용한다. 여기서 변환 계수를 자유롭게 설정할 수 있는 변환 회로를 사용하면, 출력 = (자유롭게 설정할 수 있는 이산화 단위 전압) × (디지털 입력)이라는, 전체적으로 아날로그와 디지털의 곱셈을 실현하는 회로가 된다.

2. 4. 델타-시그마형

델타시그마형은 10M~100K Hz(오버 샘플링)의 샘플링 속도와 24~18 비트의 분해능을 가진다. 높은 분해능을 가지는 것이 특징이며, 주로 음성 처리에 사용된다.

디지털 입력을 시간 방향으로 보간하여 샘플링 주파수를 수십 배로 늘리는 오버 샘플링 기술을 사용한다. 이 출력을 델타-시그마 변조기에 통과시켜 저 비트의 오버 샘플링 데이터로 만든다. 델타-시그마 변조기는 AD 변환과 유사한 역할을 하지만, 고 비트 디지털 입력을 디지털 처리를 통해 저 비트의 "디더링"된 디지털 출력으로 변환한다. 1비트 출력은 펄스 폭 변조와 유사하지만, 델타-시그마 변조기를 통해 더 개선된 펄스 파형을 얻을 수 있다.

이 저 비트 출력을 DA 변환하고(1비트의 경우 출력 전력이 충분하면 그대로 사용 가능), 펄스 폭 변조형과 같이 로우 패스 필터를 통과시켜 접기 잡음(앨리어스) 성분이나 양자화 오차 성분을 제거하여 아날로그 출력을 얻는다.

3. DAC의 원리

DAC는 추상적인 유한 정밀도 숫자(일반적으로 고정 소수점 이진수)를 전압이나 압력과 같은 물리량으로 변환한다. 특히 DAC는 유한 정밀도 시계열 데이터를 연속적으로 변화하는 물리적 신호로 변환하는 데 자주 사용된다.

나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리에 따르면, 신호의 대역폭이 요구 사항을 충족하고(즉, 베이스밴드 신호의 대역폭이 나이퀴스트 주파수보다 작음) 무한 해상도로 샘플링되었다면, 원래 신호는 샘플링된 데이터로부터 이론적으로 재구성할 수 있다. 그러나 실제로는 ADC의 필터링이 나이퀴스트 주파수 이상의 모든 주파수를 완전히 제거할 수 없으며, 이는 앨리어싱되어 베이스밴드 주파수 범위로 나타난다. 또한 ADC의 디지털 샘플링 과정에서 발생하는 양자화 오차 (반올림 오차)는 낮은 레벨의 노이즈를 발생시킨다.^[1] 이러한 오차는 오디오 응용 프로그램과 같이 대상 응용 프로그램의 요구 사항 내에서 유지될 수 있다.

3. 1. 펄스 폭 변조형

펄스 폭 변조(PWM) 데이터를 2진수 데이터로 변환한 후, 로우 패스 필터를 통과시켜 펄스 주파수로 인한 고주파 성분을 제거한다.^[1]

전력 트랜지스터를 사용하여 스위칭한 직후 LC 로우 패스 필터를 추가하면, 리니어 증폭기 없이도 낮은 손실로 큰 출력을 내는 DA 변환을 할 수 있다. 이를 통해 스피커나 모터를 직접 연결할 수 있다 (D급 증폭기, 쵸퍼 제어).^[1]

3. 2. 델타 시그마형

디지털 입력을 시간 방향으로 보간하여 샘플링 주파수를 수십 배로 높이는 오버 샘플링을 한다. 이 출력을 델타-시그마 변조기를 통과시켜 저 비트의 오버 샘플링 데이터로 만든다. 델타-시그마 변조기의 목적은 AD 변환의 경우와 같지만, 고 비트의 디지털 입력을 디지털 처리를 통해 저 비트의 "디더링"된 디지털 출력으로 만든다. 1비트 출력이라면 펄스 폭 변조와 비슷한 출력이 되지만, 델타-시그마 변조기에 의해 더 좋은 펄스 파형이 된다.

이 저 비트 출력을 DA 변환하고(1비트의 경우 출력 전력이 충분하면 그대로도 괜찮다), 펄스 폭 변조형과 마찬가지로 로우 패스 필터를 통과시켜 접기 잡음(앨리어스) 성분이나 양자화 오차 성분을 제거하여 아날로그 출력을 얻는다.

3. 3. 저항 스트링형

n 비트의 경우, 2ⁿ개의 저항을 직렬로 연결하여 기준 전압을 분압함으로써, 해당 전압 2ⁿ개를 모두 얻을 수 있다. 이 중에서 디지털 입력에 해당하는 전압점을 아날로그 스위치로 연결하여 출력한다.

두 점 사이의 저항값을 그대로 사용하면, 디지털 가변 저항으로 사용할 수도 있다.

3. 4. 저항 래더형

연산 증폭기를 이용한 연산 기능을 사용하며, 저항의 온-오프나 전압 인가로부터 목표 전압을 얻는다. R-2R 래더형 저항 회로(두 종류의 저항을 조합한 회로)에 의한 것이 유명하다.^[1]

3. 5. 용량 어레이형

비트에 따라 가중치를 부여한 커패시터를 충전하고 전체 전압을 측정한다.

3. 6. 전류 출력형

가중 저항형이라고도 한다.

스위치를 통해 비트에 따라 가중된 저항을 병렬로 연결한다. 여기에 전압을 가하면 총 전류량은 스위치로 켠 저항에 흐르는 전류의 총합이 되며, 결과적으로 2진수에 비례하는 전류가 흐른다. 비트 수만큼의 저항과 스위치가 기본 구성이며, 고속화가 용이하다.^[1]

일반적으로 전류 출력을 전압으로 변환하여 이용한다. 여기서 변환 계수를 자유롭게 설정할 수 있는 변환 회로를 사용하면, 출력 = (자유롭게 설정할 수 있는 이산화 단위 전압) × (디지털 입력)이라는, 전체적으로 아날로그와 디지털의 곱셈을 실현하는 회로가 된다.^[1]

4. DAC의 종류

DAC에는 저항 라다형, 저항 스트링형, 전류 출력형, 델타시그마형 등 다양한 종류가 있다.

'''디지털-아날로그 변환회로의 방식'''
명칭	샘플링 속도(Hz)	분해력(bit)	특징	용도
저항 라다형	10M~DC	12~6	소면적, 낮은 소비전력	서보, 제어
저항 스트링형	1M~DC	12~6	소면적, 낮은 소비전력	전자 볼륨
전류 출력형	400M~DC	12~8	고속	영상 신호처리, 통신
델타시그마형	10M~100K(오버 샘플링)	24~18	높은 분해력	음성 처리

DAC는 추상적인 유한 정밀도 숫자(보통 고정 소수점 이진수)를 전압과 같은 물리량으로 변환한다. 특히 DAC는 유한 정밀도 시계열 데이터를 연속적으로 변화하는 물리적 신호로 변환하는 데 자주 사용된다.

나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리에 따르면, 신호가 나이퀴스트 주파수보다 낮은 대역폭을 가지고 무한 해상도로 샘플링되었다면, 원래 신호는 샘플링된 데이터로부터 이론적으로 완벽하게 복원될 수 있다. 그러나 실제 ADC에서는 필터링이 나이퀴스트 주파수 이상의 모든 주파수를 완벽하게 제거하지 못해 앨리어싱이 발생하고, 디지털 샘플링 과정에서 양자화 오차로 인한 노이즈가 발생한다. 이러한 오차는 응용 프로그램의 요구 수준에 따라 허용 범위 내에서 관리될 수 있다.

4. 1. 펄스 폭 변조기 (PWM)

펄스 폭 변조기는 안정적인 전류 또는 전압이 디지털 입력 코드에 의해 결정되는 기간 동안 아날로그 필터의 로우패스로 전환되는 방식이다.^[2] 이 기술은 전동기 제어기를 이용한 전기 모터 속도 제어 및 LED 램프의 조광에 주로 사용된다.

펄스 폭 변조 데이터를 2진수 데이터로 변환하고, 그 출력을 로우 패스 필터를 통과시켜 펄스 주파수에 의한 고주파 성분을 제거한다.

전력 트랜지스터로 스위칭한 직후에 LC 로우 패스 필터를 삽입하면, 리니어 증폭기 없이 저손실 대출력 DA 변환을 실현할 수 있으며, 그대로 스피커나 모터를 직접 연결할 수 있다(D급 증폭기, 쵸퍼 제어).

4. 2. 오버샘플링 DAC (보간 DAC)

델타-시그마 변조를 사용하는 것과 같은 오버샘플링 DAC 또는 보간 DAC는 오버샘플링을 사용한 펄스 밀도 변환 기술을 사용한다.^[2] 디지털 입력을 시간 방향으로 보간하여 샘플링 주파수를 수십 배로 늘리는 오버샘플링을 거친다. 이 출력을 델타-시그마 변조기를 통과시켜 저비트의 오버 샘플링 데이터로 만든다. 델타-시그마 변조기는 고비트의 디지털 입력을 디지털 처리를 통해 저비트의 "디더링"된 디지털 출력으로 만든다. 1비트 출력이라면 펄스 폭 변조와 비슷한 출력이 되지만, 델타-시그마 변조기에 의해 더 좋은 펄스 파형이 된다.

이 저비트 출력을 DA 변환하고(1비트의 경우 출력 전력이 충분하면 그대로도 괜찮다), 로우 패스 필터를 통과시켜 접기 잡음(앨리어스) 성분이나 양자화 오차 성분을 제거하여 아날로그 출력을 얻는다. 오디오 델타-시그마 DAC는 384kHz 샘플링 속도와 24비트 해상도로 판매되지만, 본질적인 노이즈로 인해 품질이 저하된다.^[2] 일부 가전 제품은 1비트 DAC로 언급되는 유형의 오버샘플링 DAC를 사용한다.^[2]

4. 3. 이진 가중 DAC

이진 가중 디지털-아날로그 변환회로(DAC)는 각 비트에 대한 개별 전기 부품을 포함하며, 일반적으로 연산 증폭기에 연결된다.^[3] 각 입력은 최상위 비트에서 가장 큰 전류 또는 전압을 갖는 2의 거듭제곱 가중치를 갖는다. 이 방식은 가장 빠른 변환 방법 중 하나이지만, 각 전압 또는 전류의 정밀도가 높아야 하므로 정확도가 떨어진다는 단점이 있다.^[3]

4. 3. 1. 스위치 저항 DAC

스위치 저항 디지털-아날로그 변환회로(DAC)는 병렬 저항 네트워크를 포함한다.^[3] 개별 저항은 디지털 입력에 따라 네트워크에서 활성화되거나 우회된다.

4. 3. 2. 스위치 전류원 DAC

디지털 입력에 따라 서로 다른 전류원을 선택하는 방식이다.

4. 3. 3. 스위치 커패시터 DAC

스위치 커패시터 DAC는 병렬 커패시터 네트워크를 포함한다. 개별 커패시터는 입력에 따라 스위치로 연결되거나 연결 해제된다.^[3]

4. 3. 4. 저항 래더 DAC

R 및 2R 저항 값의 반복적인 캐스케이드 구조를 사용하는 이진 가중 디지털-아날로그 변환회로(DAC)이다. 이는 동일한 값의 매칭된 저항을 생산하는 상대적인 용이성으로 인해 정밀도를 향상시킨다.^[2]

연산 증폭기를 이용한 연산 기능을 사용하며, 저항의 온-오프나 전압 인가로부터 목표 전압을 얻는다. R-2R 래더형 저항 회로(2 종류의 저항을 조합한 회로)에 의한 것이 유명하다.

4. 4. 순차 근사 또는 사이클릭 DAC

순차 근사 또는 사이클릭 디지털-아날로그 변환회로(DAC)는 각 사이클 동안 출력을 순차적으로 구성한다.^[2] 전체 입력이 고려될 때까지 디지털 입력의 개별 비트가 각 사이클마다 처리된다.

4. 5. 온도계 코드 DAC

온도계 코드 DAC는 DAC 출력의 각 가능한 값에 대해 동일한 저항 또는 전류원 세그먼트를 포함한다.^[4] 8비트 온도계 DAC는 255개, 16비트 온도계 DAC는 65,535개의 세그먼트를 갖는다.^[4] 이는 빠르고 높은 정밀도를 제공하는 DAC 아키텍처이지만, 구현을 위해 많은 구성 요소가 필요하고, 제작에는 고밀도 반도체 소자 공정이 필요하다는 단점이 있다.^[4]

4. 6. 하이브리드 DAC

하이브리드 DAC는 위에서 언급된 여러 기술들을 하나의 컨버터에서 조합하여 사용하는 방식이다. 대부분의 DAC 집적 회로는 하나의 장치에서 저렴한 비용, 고속 및 고정밀도를 모두 얻는 것이 어렵기 때문에 이 유형에 속한다.^[4]

4. 6. 1. 분할 DAC

분할 DAC는 최상위 비트에 온도계 코드 원리를, 최하위 비트에 이진 가중 원리를 결합한 방식이다.^[4] 이러한 방식으로 정밀도(온도계 코드 원리 사용)와 저항 또는 전류원의 수(이진 가중 원리 사용) 사이에서 절충점을 찾는다. 전체 이진 가중 설계는 0% 분할을 의미하고, 전체 온도계 코드 설계는 100% 분할을 의미한다.

4. 7. 곱셈 DAC

곱셈 DAC는 변환 기준으로 가변 입력 전압 또는 전류를 사용한다.^[5] 이는 변환 회로의 대역폭에 추가적인 설계 제약 조건을 부과한다.

4. 8. 인터리브 DAC

최신 고속 디지털-아날로그 변환기(DAC)는 여러 DAC 코어를 병렬로 사용하는 인터리브 아키텍처를 갖는다.^[6] 결합된 DAC의 성능을 향상시키기 위해 아날로그 영역에서 출력 신호를 결합한다.^[6] 신호 결합은 시간 영역 또는 주파수 영역에서 수행될 수 있다.

5. RAMDAC

램댁(RAMDAC^영어)은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환회로(DAC)의 일종으로, 특히 IBM 개인용 컴퓨터의 비디오 카드에서 영상 신호 처리를 담당했다. RAMDAC는 Color Lookup Table(CLUT)를 실행하기 위한 792바이트 메모리를 가지고 있어, 인덱스 컬러 256색을 최대 1680만 색 중 일부로 변환하는 팔레트 변환 기능을 수행했다.

초기에는 인덱스 컬러 방식이 게임 등에 주로 사용되었으나, 윈도우와 DirectX의 보급으로 점차 사용되지 않게 되었다. 그러나 RAMDAC의 CLUT 기능은 디스플레이의 밝기, 명암비, 감마 보정을 쉽게 할 수 있도록 해주었기 때문에, 현재도 비디오 카드는 각 채널의 디스플레이 특성을 보정할 수 있는 RAMDAC를 탑재하고 있다.^[3]

비디오 샘플링은 음극선관과 사람 눈의 비선형적인 반응 특성 때문에 "감마 곡선"을 사용하여 밝기 단계를 균등하게 분산시킨다.^[1] 충분한 색상 해상도를 가진 컴퓨터 비디오 응용 프로그램에서는 각 채널의 출력 레벨에 대해 DAC에 하드코딩된 값을 엔지니어링하는 것이 비실용적이므로 RAMDAC를 사용한다.^[1]

5. 1. RAMDAC의 역할

램댁(RAMDAC^영어)은 IBM 개인용 컴퓨터의 비디오 카드에서 사용되는 영상 신호 처리용 DAC이다. 792바이트 메모리로 Color Lookup Translation(CLUT)를 실행하며, 인덱스 컬러 256색을 최대 1680만 색 중 일부로 변환하는(팔레트 변환) 기능을 갖는다. 주로 게임에 사용되던 인덱스 컬러 디스플레이는 윈도우나 DirectX 보급으로 더 이상 사용되지 않게 되었다. 그러나 CLUT 기능은 디스플레이의 휘도, 콘트라스트, 감마 보정을 기술적으로 쉽게 만들어, 현재 판매되는 비디오 카드는 각 채널의 디스플레이 특성을 보정할 수 있는 램댁을 탑재하고 있다.^[3]

음극선관(대부분의 디지털 비디오 기반 작업이 맞춰져 있음)과 사람 눈의 고도로 비선형적인 반응 때문에, 비디오 샘플링은 완전히 다른 규모로 작동하는 경향이 있으며, 디스플레이의 전체 동적 범위에서 균등하게 분산된 밝기 단계를 나타내기 위해 "감마 곡선"을 사용한다.^[1] 따라서 각 채널의 출력 레벨에 대해 DAC에 하드코딩된 값을 엔지니어링하는 것이 비실용적일 정도로 충분한 색상 해상도를 가진 컴퓨터 비디오 응용 프로그램에서 RAMDAC를 사용해야 한다.^[1]

컴퓨터와 같은 디지털 소스의 비디오 신호는 아날로그 모니터에 표시하려면 아날로그 형태로 변환되어야 한다.^[2] DAC는 일반적으로 감마 보정, 명암비 및 밝기에 대한 변환 테이블을 포함하는 일부 메모리(RAM)와 통합되어 RAMDAC 장치를 만든다.^[2]

5. 2. 현대 GPU에서의 RAMDAC

2011년 현재 시판되고 있는 비디오 카드에서 RAMDAC는 그래픽 처리 장치(GPU)에 통합되어, 단품 패키지로는 비디오 카드 상에서 볼 수 없다.^[4] 또한 영상 신호의 디지털화로 인해, 아날로그 출력을 가지지 않는 제품도 있다.^[4] 이러한 제품에서는 RAM은 GPU가 담당하고, DAC를 디스플레이 측에서 분담한다.^[4] 기존의 RGB8 포맷에서 ISO YCbCr 출력 (디지털 방송)의 표시에 대응하는 경우 디스플레이가 RAM을 탑재하는 경우도 있다.^[4] SMPTE/VESA RGB10・RGB16 포맷의 보급으로 인해, 탑재 메모리의 용량은 커지고 있다.^[4] DAC 본질인 레이턴시를 줄이기 위해, NVidia는 G-Sync라는 신기술을 개발했다.^[4]

5. 3. 디지털 디스플레이 기술의 발전

컴퓨터와 같은 디지털 소스의 비디오 신호는 아날로그 모니터에 표시하기 위해 아날로그 형태로 변환해야 한다. 초기에는 아날로그 입력이 디지털 입력보다 일반적이었지만, DVI 및/또는 HDMI 연결을 갖춘 평판 디스플레이가 보급되면서 디지털 입력이 더 많이 사용되게 되었다. 하지만 아날로그 출력이 있는 모든 디지털 비디오 플레이어에는 비디오 DAC가 내장되어 있다. 이 DAC는 감마 보정, 명암비 및 밝기 조절을 위한 변환 테이블을 포함하는 RAM과 통합되어 RAMDAC라는 장치를 구성한다.

특히 IBM PC/AT 호환 기종의 비디오 카드에 사용되는 영상 신호 처리용 DAC를 RAMDAC라고 한다. RAMDAC는 Color Lookup Translation(CLUT)을 수행하기 위한 792바이트의 메모리를 가지며, 인덱스 컬러 256색을 최대 1680만 색 중 하나로 변환하는 팔레트 변환 기능을 제공했다. 초기에는 인덱스 컬러 표시가 게임 등에 주로 사용되었지만, Windows와 DirectX의 보급으로 인해 사용되지 않게 되었다. 그러나 CLUT 기능은 밝기, 명암비, 감마 보정을 쉽게 할 수 있다는 장점 때문에, 현재 비디오 카드는 CLUT에 더해 각 채널별 발색 특성을 보정할 수 있는 RAMDAC를 탑재하고 있다.

2011년 현재, 비디오 카드의 RAMDAC는 그래픽 처리 장치에 통합되어 별도의 패키지로 존재하지 않는다. 또한, 영상 신호의 디지털화로 인해 아날로그 출력이 없는 제품도 있다. 이러한 제품에서는 GPU가 RAM을 담당하고, DAC는 디스플레이 측에서 담당한다. 기존의 RGB8 포맷에서 ISO YCbCr 출력(디지털 방송) 표시에 대응하는 경우, 디스플레이가 RAM을 탑재하는 경우도 있다. SMPTE/VESA RGB10 및 RGB16 포맷의 보급으로 탑재 메모리 용량은 더욱 커지고 있다. NVidia는 DAC 본질의 레이턴시(지연)을 줄이기 위해 G-Sync라는 신기술을 개발했다.

5. 4. 지연 시간 감소 기술

IBM PC/AT 호환 기종의 비디오 카드에 사용되는 영상 신호 처리용 DAC는 RAMDAC라고 불린다. RAMDAC는 CLUT(Color Lookup Translation)을 위한 792바이트의 메모리를 가지며, 인덱스 컬러 256색을 최대 1680만 색 중 하나로 변환하는 (팔레트 변환) 기능을 제공한다. 인덱스 컬러 표시는 주로 게임에 사용되었지만, Windows와 DirectX의 보급으로 사용되지 않게 되었다. 그러나 CLUT 기능은 밝기, 명암비, γ 보정에 기술적으로 전용이 용이하여, 현재 비디오 카드는 CLUT와 각 채널별 발색 특성을 보정할 수 있는 RAMDAC를 탑재하고 있다. 2011년 현재 RAMDAC는 그래픽 처리 장치에 흡수, 내포되어 단품 패키지로는 비디오 카드 상에서 볼 수 없다. 영상 신호의 디지털화로 아날로그 출력이 없는 제품도 있으며, 이러한 제품에서는 RAM은 GPU가, DAC는 디스플레이 측에서 분담한다. 기존 RGB8 포맷에서 ISO YCbCr 출력(디지털 방송) 표시에 대응하는 경우 디스플레이가 RAM을 탑재하기도 한다. SMPTE/VESA RGB10・RGB16 포맷 보급으로 탑재 메모리 용량은 커지고 있다. DAC 본질의 지연 시간을 줄이기 위해 NVidia는 G-Sync라는 신기술을 개발했다.

6. 오디오 기기의 DAC

대부분의 현대 오디오 신호는 디지털 형태로 저장되는데(예: MP3, CD), 스피커를 통해 들으려면 아날로그 신호로 변환해야 한다. 따라서 DAC는 CD 플레이어, 디지털 음악 재생 장치, PC 사운드 카드 등에서 찾아볼 수 있다.

상단 로딩 방식의 CD 플레이어 (상단)와 동일 회사의 외장형 디지털-아날로그 변환기 (하단).

CD 플레이어용 애드온으로 1990년대에 오디오 알케미(Audio Alchemy)에서 출시한 외장형 DAC로, 폭이 약 12cm에 불과하며, 구형 또는 저렴한 플레이어의 음질을 개선하기 위한 제품이다.

전문적인 독립형 DAC는 고급 하이파이 시스템에서도 찾아볼 수 있다. 이들은 일반적으로 호환되는 CD 플레이어나 전용 전송 장치(기본적으로 내부 DAC가 없는 CD 플레이어)의 디지털 출력을 받아 아날로그 라인 레벨 출력으로 변환한 다음, 앰프에 공급하여 스피커를 구동한다.

USB 스피커와 같은 디지털 스피커 및 사운드 카드에서도 유사한 디지털-아날로그 변환기를 찾아볼 수 있다.

VoIP 애플리케이션에서는 음성 전송을 위해 먼저 소스를 디지털화해야 하므로 ADC를 통해 변환을 거친 다음, 수신측에서 DAC를 사용하여 아날로그로 다시 구성된다.

6. 1. 외부 DAC의 필요성

CD 플레이어, SACD 플레이어, PC 등 디지털 기기 내부에서 DA 변환을 수행하면 회로 자체에서 발생하는 노이즈가 출력 음성에 섞이기 쉽고, 음질에 신경 쓴 회로를 탑재할 공간이 없는 경우가 많다. 이러한 이유로 별도의 부품에서 변환을 담당하게 하는 경우가 있는데, 이 기기를 '''DAC'''(Digital-to-Analog Converter, 디지털-아날로그 변환기) 또는 외부 DAC라고 부른다. 기기에서 DAC로 신호를 전송할 때는 USB나 S/PDIF를 많이 사용한다. 고급 기기에서는 신호의 지터(시간축의 미세한 흔들림) 영향을 줄이기 위해 IEEE 1394로 연결하거나, 더 높은 정밀도를 위해 S/PDIF 동축 케이블로 연결된 기기끼리 클럭을 동기화하는 장치를 함께 사용하거나 외부 클럭 제너레이터를 이용하기도 한다. 내부 DAC를 사용하지 않고 디지털 데이터 송출만을 위한 플레이어는 '''트랜스포트'''라고 부른다.^[9]

6. 2. 신호 전송 방식

CD 플레이어나 PC 등 디지털 기기에서 DAC로 신호를 전송할 때 USB나 S/PDIF를 많이 사용한다. 고급 기기에서는 신호의 지터(시간 축의 미세한 흔들림) 영향을 줄이기 위해 IEEE 1394로 연결하기도 한다. 더 높은 정밀도가 필요한 경우 S/PDIF 동축 케이블로 연결된 기기끼리 클럭을 동기화하거나 외부 클럭 제너레이터를 사용하기도 한다.^[9]

6. 3. 트랜스포트

내부 DAC를 사용하지 않고 오로지 디지털 데이터 송출만 이용하는 플레이어는 '''트랜스포트'''라고 불린다.^[9]

6. 4. 기술 개발 동향

오디오 시스템의 기술 개발은 고품질 재생을 목표로 샘플링 레이트를 높이고, 비트 수를 늘리며, 아날로그단을 짧게 하는 방향으로 진행되고 있다.^[9]

2010년 이후, 보급형 제품에 탑재되는 DAC는 대부분 델타 시그마형 1비트 DAC이다. 이는 개당 비용이 저렴하고 소비 전력이 낮으며, 멀티 비트형보다 변환 오차가 적기 때문이다.

DAC의 S/N비 향상은 저항의 열 잡음이나 불확정성 원리에 따른 측정 한계로 인해 제한적이다. 2000년 전후부터 보급된 24비트 DAC의 경우, 양자화 비트 수로 계산되는 아날로그 신호의 S/N비는 144dB이지만, 실제로는 최상위 기종에서도 120dB 정도이다. 2023년 현재 AK4499EXEQ는 138dB(모노럴 모드 시)에 도달했으며, 32비트 DAC도 등장하여 시판품에 탑재되고 있다.^[9]

이러한 한계를 극복하기 위해 고급 기기에서는 멀티 DAC 구성을 채용하기도 한다. N개의 DAC 출력 신호를 합산하면 음성 신호 성분 진폭은 N배, 노이즈 성분 진폭은 √N배가 되어 S/N비가 개선되기 때문이다. 하지만 S/N비는 대수로 정의되므로, DAC 2개를 합산해도 S/N비 개선은 수 dB 정도이며, DAC 개수를 늘릴수록 개선 폭은 작아진다. 따라서 회로 구성이 복잡해지고 실장 면적이 커지는 점을 고려하면, 이 방식의 비용 대비 효과는 낮을 수밖에 없다.

아날로그 신호는 노이즈 혼입이나 에너지 방사 등으로 감쇠하면 복원이 불가능하므로, 시스템에서 DAC 위치를 뒤로 옮겨 아날로그단을 짧게 하기 위한 연구도 진행되고 있다.

6. 5. 1비트 DAC의 보급

2010년 이후, 델타 시그마형 1비트 DAC는 개당 비용이 저렴하고 소비 전력이 낮으며, 멀티 비트형보다 변환 오차가 적다는 장점 때문에 보급형 제품에 널리 사용되고 있다.^[9]

6. 6. S/N비 향상의 한계

저항의 열 잡음이나 불확정성 원리에 따른 측정 한계로 인해 DAC의 S/N비 향상은 한계에 도달해 있다.^[9] 예를 들어, 2000년 전후부터 민생용품에서도 보급되기 시작한 24비트 DAC의 경우, 양자화 비트 수로부터 계산되는 아날로그 신호의 S/N비는 144dB가 되지만, 현실적으로는 최상위 기종에서도 120dB 정도이다. 2023년 현재, AK4499EXEQ에서는 138dB(모노럴 모드 시)에 도달했으며, 또한 현재는 32비트 DAC가 등장하여 시판품에도 탑재되고 있다.^[9]

이러한 한계를 극복하기 위해, 고급 기기에서는 멀티 DAC 구성을 채용하는 경우가 있다. N개의 DAC 출력 신호를 더하면 음성 신호 성분의 진폭은 N배, 노이즈 성분의 진폭은 √N배가 되어 S/N비가 개선되기 때문이다. 다만, S/N비는 대수로 정의되므로 DAC 2개의 출력을 더했을 때 S/N비 개선은 수 dB 정도이며, 더 많은 DAC를 추가해도 S/N비 개선 폭은 작아진다. 따라서 회로 구성이 복잡해지고 실장 면적이 커지는 것을 고려하면, 이 방법의 비용 대비 효과는 낮아질 수밖에 없다 (그래서 고가로 판매되는 고급 기기에서만 채용된다).

6. 7. 디지털 스피커의 등장

아날로그 신호는 한 번 노이즈가 섞이거나 주변으로 에너지가 방사되어 감쇠하면 다시 복원할 수 없다. 따라서 시스템에서 DAC의 위치를 뒤쪽으로 옮겨 아날로그단을 짧게 만들기 위한 연구가 진행되고 있다. 2010년대에 들어 디지털 스피커가 실용화되고 있다. 디지털 스피커는 입력된 디지털 신호를 스피커의 보이스 코일에서 음성으로 변환한다. 따라서 디지털 신호를 시스템의 가장 마지막 부분에서 직접 음성으로 변환하므로, 아날로그 신호가 전기 회로를 거치는 일이 없어져 저항의 열 잡음 문제를 해결할 수 있다. 또한, 스피커의 전달 함수를 알고 있다면, DSP를 통해 음성에 대한 임펄스 응답을 컨볼루션하여 스피커의 왜곡까지 보정할 수 있다. 따라서 디지털 스피커에서는 입력되는 디지털 신호를 매우 정밀하게 음성으로 바꿀 수 있다. 이 시스템에서는 기존의 IC 칩 형태의 DAC는 필요하지 않다.

7. DAC 성능

DAC는 추상적인 유한 정밀도 숫자(일반적으로 고정 소수점 이진수)를 전압 또는 압력과 같은 물리량으로 변환한다. 특히 DAC는 유한 정밀도 시계열 데이터를 연속적으로 변화하는 물리적 신호로 변환하는 데 자주 사용된다.

DAC의 주요 성능 지표는 다음과 같다.

'''분해능'''
'''최대 샘플링 속도'''
'''단조성'''
'''총 고조파 왜곡 및 노이즈 (THD+N)'''
'''다이내믹 레인지'''

위상 왜곡 및 지터와 같은 다른 측정값도 일부 응용 분야에서 중요할 수 있다. 무선 데이터 전송, 컴포지트 비디오와 같은 일부 응용 분야에서는 위상 조정된 신호의 정확한 생성에 의존하기도 한다.

비선형 PCM 인코딩(A-law / μ-law, ADPCM, NICAM)은 각 데이터 비트로 표현되는 출력 신호 강도 간에 대수 단계 크기를 사용하여 유효 다이내믹 레인지를 개선하려 한다. 이는 큰 신호의 더 큰 양자화 왜곡을 조용한 신호의 더 나은 성능과 교환한다.

7. 1. 분해능

DAC는 재현하도록 설계된 가능한 출력 레벨의 수이다. 이는 일반적으로 사용되는 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. 분해능은 DAC가 달성한 실제 분해능을 측정한 유효 비트 수와 관련이 있다. 분해능은 비디오 애플리케이션에서 색상 심도를 결정하고 오디오 애플리케이션에서 오디오 비트 심도를 결정한다.^[3]

7. 2. 최대 샘플링 속도

DAC 회로는 작동하고 정확한 출력을 생성할 수 있는 최대 속도이다. 나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리는 이 속도와 샘플링된 신호의 대역폭 간의 관계를 정의한다.

7. 3. 단조성

디지털 입력이 증가할 때 아날로그 출력이 감소하지 않고 증가하는 특성이다.^[1] 이 특성은 저주파 신호 소스 또는 디지털 프로그래밍 가능한 트림 요소로 사용되는 DAC에 매우 중요하다.^[1]

7. 4. 총 고조파 왜곡 및 노이즈 (THD+N)

디지털-아날로그 변환회로(DAC)에 의해 신호에 도입된 왜곡 및 노이즈의 측정값이다. 이는 원하는 신호와 함께 제공되는 원치 않는 고조파 왜곡 및 노이즈의 총 전력의 백분율로 표시된다.

7. 5. 다이내믹 레인지

DAC가 재현할 수 있는 가장 큰 신호와 가장 작은 신호 간의 차이를 데시벨로 표현한 측정값이다. 이는 일반적으로 분해능 및 노이즈 플로어와 관련이 있다.

8. 성능 지수

디지털-아날로그 변환회로(DAC)의 성능은 크게 정적 성능, 주파수 영역 성능, 시간 영역 성능으로 나눌 수 있으며, 각 성능을 평가하는 다양한 지표들이 존재한다.

DAC 성능 지표
구분	성능 지표	설명
정적 성능	차등 비선형성(DNL)	인접한 두 코드의 아날로그 값 차이가 이상적인 1 LSB에서 얼마나 벗어나는지 나타낸다.^[7]
적분 비선형성(INL)	DAC 전달 특성이 이상적인 직선에서 얼마나 벗어나는지 나타낸다. 주어진 코드 값에서 실제 전압과 이상적인 전압의 차이를 LSB 단위로 표시한다.^[7]
이득 오차	^[7]
오프셋 오차	^[7]
노이즈	수동 소자의 열 잡음에 의해 발생하며, 백색 잡음 특성을 가진다.
주파수 영역 성능	스퓨리어스 없는 동적 범위(SFDR)	변환된 주 신호와 가장 큰 원치 않는 스퍼의 전력 비율 (dB)^[7]
신호 대 잡음 및 왜곡(SINAD)	변환된 주 신호와 잡음 및 고조파 스퍼의 합의 전력 비율 (dB)^[7]
i차 고조파 왜곡 (HDi)	변환된 주 신호의 i차 고조파 전력
총 고조파 왜곡(THD)	입력 신호의 모든 고조파 전력 합^[7]
시간 영역 성능	글리치 임펄스 면적 (글리치 에너지)	^[7]

8. 1. 정적 성능

차등 비선형성(DNL)은 인접한 두 코드의 아날로그 값이 이상적인 1LSB 단계에서 얼마나 벗어나는지를 나타낸다.^[7]
적분 비선형성(INL)은 DAC 전달 특성이 이상적인 특성에서 얼마나 벗어나는지를 나타낸다. 이상적인 특성은 일반적으로 직선이며, INL은 주어진 코드 값에서 실제 전압이 해당 선에서 얼마나 다른지를 LSB 단위(1LSB 단계)로 나타낸다.^[7]
이득 오차^[7]
오프셋 오차^[7]
노이즈는 궁극적으로 저항과 같은 수동 소자에 의해 생성되는 열 잡음에 의해 제한된다. 오디오 응용 분야와 실내 온도에서 이러한 노이즈는 일반적으로 1μV 미만의 백색 잡음이다. 이는 실제로 24비트 DAC에서도 해상도를 20~21비트 미만으로 제한한다.

8. 2. 주파수 영역 성능

스퓨리어스 없는 동적 범위 (SFDR)는 변환된 주 신호와 가장 큰 원치 않는 스퍼의 전력 간의 비율을 dB 단위로 나타낸다.^[7] 신호 대 잡음 및 왜곡 (SINAD)은 변환된 주 신호와 잡음 및 생성된 고조파 스퍼의 합의 전력 간의 비율을 dB 단위로 나타낸다.^[7] i차 고조파 왜곡(HDi)은 변환된 주 신호의 i차 고조파의 전력을 나타낸다. 총 고조파 왜곡 (THD)은 입력 신호의 모든 고조파의 전력 합이다.^[7] 최대 DNL이 1 LSB 미만이면 변환기는 단조성을 보장받는다. 그러나 많은 단조 변환기는 최대 DNL이 1 LSB보다 클 수 있다.^[7]

8. 3. 시간 영역 성능

글리치 임펄스 면적(글리치 에너지)은 시간 영역 성능에 포함된다.^[7]

참조

_[1] 웹사이트 Selectric Repair 10-3A Input: Keyboard https://web.archive.[...] 2014-09-02
_[2] 웹사이트 Data Converter Architectures http://www.analog.co[...] Analog Devices 2017-08-30
_[3] 웹사이트 Binary Weighted Resistor DAC https://www.electron[...] 2018-09-25
_[4] 간행물 Basic DAC Architectures I: String DACs and Thermometer (Fully Decoded) DACs https://www.analog.c[...] Analog Devices
_[5] 웹사이트 Multiplying DACs: Flexible Building Blocks https://www.analog.c[...] Analog Devices 2012-03-29
_[6] 서적 Interleaving Concepts for Digital-to-Analog Converters: Algorithms, Models, Simulations and Experiments Springer Fachmedien Wiesbaden 2020
_[7] 웹사이트 ADC and DAC Glossary http://www.maxim-ic.[...] Maxim
_[8] 웹사이트 http://tomozon.sakur[...]
_[9] 웹사이트 https://www.akm.com/[...]

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