デジタル・アナログ変換器（DAC）：原理、種類、用途

基本原理と信号出力

DACは、ビットの並列または直列ストリームであることが多いデジタルワードを受け取り、その符号を比例したアナログレベルに対応付ける。DACの分解能は通常ビット数で表され、離散的な出力段階の数（2^N）を決定する。ほかの主要特性には、精度、直線性、単調性、セトリング時間、ならびに信号対雑音比（SNR）や全高調波歪み（THD）などの動的性能が含まれる。入門的な解説については、解説ガイドを参照。

一般的なアーキテクチャ

速度、分解能、消費電力、コストの要件に応じて、複数の回路トポロジーが用いられる。

• 抵抗ラダー（R-2R）：中程度の速度と分解能に適した、単純で拡張性のある抵抗ネットワーク。
• 2進重み付け抵抗：ビットごとの寄与を直接加算するために重み付けされた抵抗値を使用する方式で、抵抗の整合性に影響されやすい。
• カレントステアリング：高速な切り替えが必要となる高速・RF用途で好まれる。
• シグマ・デルタ（ΔΣ）：オーバーサンプリングとノイズシェーピングを用い、より低いベースバンド帯域幅で高分解能を実現する。オーディオ用DACで一般的である。
• PWMとフィルタリング：パルス幅変調出力を平滑化してアナログ波形を生成する低コストの方式。

実装の詳細と設計上のトレードオフについては、アプリケーションノートや教科書で扱われている。技術ノートおよび設計資料を参照。

性能パラメータ

DACを選定または評価する際、技術者は次の事項を考慮する。

1. 分解能（ビット数）および有効ビット数（ENOB）。
2. 積分非直線性（INL）や微分非直線性（DNL）などの直線性誤差。
3. SNR、THD、スプリアスフリー・ダイナミックレンジ（SFDR）といった動的誤差。
4. セトリング時間および最大サンプル／更新レートに関する速度。
5. 電流源出力か電圧出力かという出力形式と、バッファまたは外部基準電圧の必要性。

製造業者および規格文書は、測定方法と代表的な仕様を示している。規格および比較資料については、規格資料と測定ガイドを参照。

歴史、発展と実用的な用途

初期のDACは、個別の抵抗器と真空管またはトランジスタによる加算回路網から構成されていた。集積回路の進歩により、小型で高精度なDACや専用アーキテクチャが可能になった。現代のDACは、サウンドカード、オーディオプレーヤー、任意波形発生器、通信トランシーバー、産業用制御システムに搭載されている。デジタルオーディオでは、シグマ・デルタDACが主観的評価と測定の両面で優れた忠実度を提供する一方、カレントステアリングDACは高速デジタル通信を駆動する。

区別と重要な考慮事項

DACはシステム全体の文脈で考慮する必要がある。基準電圧、出力バッファリング、フィルタリング、プリント基板（PCB）のレイアウトの選択が、実際の性能を大きく左右し得る。実信号を測定するADCとは異なり、DACは負荷を駆動する必要があり、連続波形を生成する際には出力再構成フィルタを必要とすることが多い。実用例にはデータシートとアプリケーションノートが有用である。実用ガイドを参照。

総じてDACは、プロセッサやメモリの2進数の世界と、センサー、アクチュエータ、人間の感覚に関わる連続的なアナログの世界とを結ぶ、ミックスドシグナル電子回路の基礎的な構成要素である。