D/A 컨버터의 개요 - ②D/A 변환방식의 종류

D/A 컨버터의 개요 - ②D/A 변환방식의 종류

 

1. D/A 변환 방식의 종류

D/A 컨버터에는 다양한 구현 방법이 있습니다.

 

1) 저항 사용 방식

저항 소자는 LSI 에서 가장 다루기 쉬운 아날로그 소자입니다.

비정밀도도 비교적, 트리밍 없이 10bit 정밀도정도까지 실현됩니다.

저항치를 적절히 선택함으로써 저속에서 고속까지 폭넓은 범위에 대응할 수 있습니다.

2) 콘덴서 사용 방식

일반적으로 LSI는 저항보다 콘덴서쪽이 비정밀도가 좋으므로 중/고정밀도의 D/A 컨버터에서 많이 사용되는 방식입니다.

고정밀도를 얻기 위해서는 큰 콘덴서가 필요하므로 충방전에 시간이 길어, 고속화는 어렵습니다.

또한 저주파에서는 리크 전류를 보완하기 위해 리프레시가 필요하므로 동작이 복잡해집니다.

3) 전류 사용 방식

고속(수 MHz~)용도용 변환 방식입니다. 디지털 입력에 따라 전류원을 스위칭하여 출력전류를 전환합니다.

출력전류는 저항 및 연산 증폭기를 사용하여 전류－전압 변환됩니다.

4) 오버 샘플링 방식

고정밀도(16bit~)용도용 변환 방식입니다.

낮은 분해능 · 높은 샘플링 속도의 출력을 필터링하여 원하는 아날로그 신호를 얻는 방식입니다.

"0", "1"의 2값 출력과 Low-pass filter로 구성하는 1bit 델타 시그마 방식이 일반적입니다.

 

2. 기본형 1 (디코더 방식)

디지털 값을 한번 변환한 후 회로로 내보내는 경우를 디코더 방식이라고 합니다.

가장 간단한 DAC로, 저항 스트링이라고 부르는 경우도 있습니다.

하기 그림은 3bit 분해능(Resolution)의 DAC이며, 저항으로 분압하여 스위치로 1곳을 선택하는 방식입니다.

저항치를 작게하고, 후단의 버퍼 앰프를 고속으로 설정하면, 나름대로 고속 동작이 가능하지만, 고분해능에서는 스위치의 기생 용량때문에 동작 속도가 저하됩니다.

장점은 선형성이 우수하고, 원리상 단조 증가성이 반드시 보증된다는 점입니다.

단점은 분해능에 따라 회로 규모가 지수 함수적으로 상승한다는 점입니다.

3bit는 저항 8개와 스위치, 4bit는 저항 16개와 스위치…10bit는 저항 1024개와 스위치가 필요합니다.

< 저항 분압 방식 DAC 예 >

 

저항 분압형 DAC를 2단으로 구성한 것입니다.

하기 그림은 6bit 분해능의 DAC이며, 1단째(왼쪽)에서 Vref-GND간 저항 1개의 양단을 선택합니다.(그림에서는 위에서 3번째 저항의 양단을 선택하였습니다)

2단째 (오른쪽)에서는 그 전압을 또 분압하여, 세밀한 분해능을 얻습니다.

장점은 1단 구성에 비해 회로 규모를 억제할 수 있다는 점입니다. 6bit DAC 구성에 필요한 저항 / 스위치는 16개 / 18개로 억제할 수 있습니다.(저항 분압 방식의 경우 양쪽 모두 64개 필요)

단수를 늘릴 때마다 앰프 2개를 추가해야 하므로, 저항 / 스위치 절감 가능량과의 균형을 고려하여 선택합니다.

단점은 DAC로서의 특성을 악화시키는 요인이 증가한다는 점입니다.

예를 들어 속도의 경우, 앰프 2개만큼 느려집니다.

출력전압 정밀도의 경우, 앰프 2단만큼의 오프셋이 생길 가능성이 있습니다.

< 2단 저항 분압 방식 DAC 예 >

 

3. 기본형 2 (바이너리 방식)

디지털 값을 그대로 받아 동작하는 회로 방식을 바이너리 방식이라고 합니다.

1) 바이너리 방식＜저항 사용의 경우>

바이너리 방식은 회로 구성에 따라 데이터에 가중치를 부여하는 방식입니다. 대표 예로서 하기 그림 R-2R ladder 회로가 있습니다.

R-2R ladder 회로는 어느 노드에서나 저항치 2R의 병렬 접속으로 보이므로, 1노드당 전류치가 반감됩니다.

하기 그림은 4bit 분해능의 R-2R ladder DAC입니다.

장점은 분해능 10bit 정도까지 DAC를 작은 면적으로 구현할 수 있다는 점입니다 (필요 저항은 Nbit DAC 3N개, 작은 스위치, 디코더 불필요). 다른 방식과 조합하면 14bit 정도까지 구현 가능합니다.

단점은 저항에 요구되는 비정밀도가 높으므로, 고정밀도를 구현하기 위해서는 스위치 (MOSFET 사이즈) 및 레이아웃 (R과 2R의 페어 특성이 중요하며, 특히 MSB측=A0측의 저항을 고정밀도로 만들 필요가 있음)에 대한 검토가 필요합니다.

< R-2R ladder DAC예 >

 

2) 바이너리 방식＜콘덴서 사용의 경우＞

하기 그림은 콘덴서 사용의 DAC를 나타낸 개념도입니다.

이 DAC는 스위치를 전환하면서 사용할 필요가 있습니다.

 

하기 그림은 콘덴서 사용 4bit 분해능 DAC 예입니다. A0~A3의 어느 스위치를 Vref측으로 전환하는가에 따라 다른 Vout 전압을 얻을 수 있습니다. 이때, 앰프 오른쪽의 스위치 2개가 동시에 ON되면, 전하 보존의 관계가 무너지므로 클록 신호를 사용하여 ON 시간이 오버랩되지 않도록 주의할 필요가 있습니다.

장점은 콘덴서의 비정밀도가 높으므로 고정밀도를 얻기 쉽고, 콘덴서에 직류전류가 발생하지 않으므로 저주파에서는 앰프 전류만의 저소비전류가 가능하다는 점입니다.

단점은 콘덴서 충방전때문에 고속화에 적합하지 않다는 점과, 저속에서는 리크 전류를 보상하기 위해 리프레시 동작이 필요하다는 점입니다. 리프레시 제어 시에는 리프레시 중 출력전압 유지를 위한 고안이 필요합니다.

< 2NC콘덴서를 사용한 DAC예 >

 

리프레시 제어를 사용한 CAPA 사용 4bit 분해능 DAC입니다.

< 2NC콘덴서를 사용한DAC(리프레시 제어 포함)예 >

 

3) 바이너리 방식 ＜저항－콘덴서 사용의 경우＞

저항 스트링 DAC부 (왼쪽)에서 3bit, 콘덴서 DAC부에서 3bit, 전체적으로 6bit 분해능의 혼합형 DAC입니다.

상위 bit의 저항 간 전압을 하위 데이터에 따라 가중치를 부가하여 보간합니다.

고분해능을 얻을 수 있다는 점이 특징입니다.

< 저항－콘덴서 혼합형 DAC예 >

 

4. 기본형 3 (온도계 코드 방식)

데이터 전환의 순간, 완전히 다른 전압 또는 전류가 출력되는 경우가 있어, 출력 아날로그 신호에 노이즈가 발생합니다.

이 노이즈를 글리치라고 합니다. 이러한 글리치에 대한 대책중 한가지로, 온도계 코드 (서모미터 코드)를 사용합니다.

온도계 코드란 『1이 몇 개 있는가에 따라 숫자를 표현하는 것』입니다. (사람이 숫자를 셀때 손가락으로 세는 것과 동일)

글리치를 억제할 수 있으나, 바이너리 코드를 서모미터 코드로 변환하는 디코더는 분해능에 따라 지수 함수적인 회로 규모가 됩니다.

 

온도계 코드를 사용한 3bit 분해능 DAC의 예입니다.

당연히 글리치는 발생하지 않습니다.

< 온도계 코드 ＜저항 모드＞DAC 예 >

 

몇 개의 셀로 전류를 끌어오는가에 따라 출력전압 Vout이 결정되는 전류형 DAC입니다.

하기 그림은 8×8의 64계조=6bit 분해능의 예입니다.

핑크색 부분이 증가하면, 그만큼 R에서 끌려오는 전류가 증가하여 Vout이 저하됩니다.

온도계 코드로 제어함으로써, Vout에 글리치는 발생하지 않습니다.

< 온도계 코드 ＜전류 모드＞DAC예 >

 

상기 그림의 전류형 DAC의 상하를 반대로 한 것입니다.

캐스코드 전류원으로 함으로써 출력전압의 영향을 잘 받지 않으므로 고정밀도화를 구현합니다.

출력 가능한 전압 범위는 감소합니다.

 

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D/A 컨버터의 개요 - ①A/D 변환, D/A 변환