DAC

디지털 신호는 시간과 진폭이 모두 불연속적인 신호이다. 시간적으로는 일정한 간격으로 샘플링되어 있고, 진폭적으로는 유한한 개수의 비트로 표현되는 이산적인 값(예: 0 또는 1, 16비트 정수)을 가진다. 이는 컴퓨터나 디지털 회로가 처리하고 저장하는 데이터의 형태이다. 반면, 아날로그 신호는 시간과 진폭이 모두 연속적인 신호이다. 자연계의 대부분의 현상, 예를 들어 소리, 빛, 온도 변화 등은 본질적으로 아날로그 형태로 존재한다.

두 신호의 차이는 다음 표를 통해 명확히 비교할 수 있다.

DAC는 바로 이 두 세계를 이어주는 변환기이다. DAC는 디지털 시스템이 생성한 추상적인 숫자 열(디지털 신호)을 받아, 전압이나 전류와 같은 물리적으로 측정 가능한 연속적인 양(아날로그 신호)으로 바꾸는 장치이다. 따라서 DAC의 입력은 숫자 코드이고, 출력은 이 코드에 대응하는 아날로그 전압 또는 전류가 된다.

디지털-아날로그 변환기는 디지털 코드를 받아 해당하는 아날로그 전압이나 전류를 생성하는 과정을 수행한다. 이 과정은 일반적으로 두 단계를 거친다. 첫 번째 단계는 입력된 디지털 코드를 해독하여, 해당하는 하나의 스위치나 여러 스위치의 조합을 활성화하는 것이다. 두 번째 단계는 이 활성화된 스위치들이 연결된 정밀한 기준 전압 또는 전류 소스로부터 신호를 끌어와, 가중 합산하여 최종 아날로그 출력을 만들어내는 단계이다.

변환 방식에 따라 구체적인 과정은 다르다. 예를 들어, R-2R 사다리형 DAC에서는 디지털 입력 비트가 각 스위치를 제어하며, R-2R 저항망을 통해 각 비트의 가중치에 비례하는 전류가 합산되어 출력 전압을 형성한다. 델타-시그마 DAC의 경우, 디지털 신호를 먼저 초고속 저해상도 변환을 거친 후, 이를 누적기와 양자화기를 사용한 폐루프 시스템으로 처리하여 고해상도 아날로그 신호를 복원하는 복잡한 과정을 거친다.

변환 과정의 마지막 단계는 필수적으로 리컨스트럭션 필터를 통과하는 것이다. DAC의 출력은 일반적으로 계단 모양의 신호를 생성하는데, 이는 원래의 부드러운 아날로그 파형이 아니라 샘플링된 값들을 연결한 형태이다. 리컨스트럭션 필터(또는 안티이미징 필터)는 이 계단 신호에서 고주파 성분을 제거하고, 원본 아날로그 신호의 형태로 부드럽게 매끄럽게 만드는 역할을 한다.

R-2R 사다리형 DAC는 가장 기본적이고 널리 알려진 디지털-아날로그 변환기 구조 중 하나이다. 이 방식은 정밀한 저항 두 종류, 즉 R과 2R 값을 갖는 저항들로 구성된 사다리 형태의 네트워크를 사용하여 디지털 코드를 아날로그 전압으로 변환한다. 각 디지털 비트는 사다리의 한 단계를 제어하며, 이진 가중치 방식에 따라 그 값에 비례하는 전류 또는 전압을 합산하는 원리로 동작한다.

구조와 동작 원리는 다음과 같다. 입력되는 디지털 비트(예: MSB부터 LSB까지)는 각각의 단자에 연결되어 있으며, 각 비트가 논리 '1'일 때 해당 스위치가 기준 전압(Vref)에 연결되고, 논리 '0'일 때는 접지(GND)에 연결된다. R-2R 사다리 구조의 특성상, 각 노드에서 바라본 저항값이 동일하게 유지된다. 이로 인해 각 비트 스위치에서 흘러나오는 전류는 해당 비트의 가중치(예: MSB는 I/2, 다음 비트는 I/4)에 정확히 비례하게 분할된다. 이 모든 전류가 하나의 가상접지(가상의 접지점, 보통 연산 증폭기의 반전 입력단)로 합산되어 출력 전압을 생성한다.

이 방식의 주요 장단점은 아래 표와 같다.

R-2R 사다리형 DAC는 집적 회로 기술이 발달하기 전부터 사용된 고전적인 방식으로, 중간 정도의 해상도와 속도를 요구하는 다양한 임베디드 시스템 및 측정 장비에서 여전히 널리 활용된다.

델타-시그마 DAC는 과잉 표본화와 잡음 성형 기술을 활용하여 높은 해상도의 아날로그 신호를 생성하는 변환기이다. 이 방식은 먼저 입력 디지털 신호의 샘플링 레이트를 매우 높은 주파수로 올리는 과잉 표본화를 수행한다. 그 후, 델타-시그마 변조기를 통해 양자화 잡음을 고주파 영역으로 밀어내는 잡음 성형 과정을 거친다. 최종적으로, 이 고주파 신호는 단순한 아날로그 로우패스 필터를 통과하여 원래의 아날로그 신호로 복원된다[2].

이 방식의 주요 장점은 높은 해상도와 선형성을 상대적으로 낮은 비트 해상도의 내부 변환기로 구현할 수 있다는 점이다. 예를 들어, 1비트 변조기를 사용하면서도 24비트에 가까운 성능을 얻을 수 있다. 이는 정밀한 아날로그 부품에 대한 의존도를 낮추고 디지털 회로 설계의 비중을 높여, 집적 회로 제조에 유리하다. 반면, 매우 높은 샘플링 레이트로 동작해야 하므로 클록 회로 설계가 중요하며, 신호 대역폭이 제한될 수 있다.

델타-시그마 DAC는 고성능 CD 플레이어, 디지털 오디오 워크스테이션, 고해상도 오디오 플레이어 및 다양한 정밀 측정 장비에서 널리 사용된다. 그 디지털 중심의 설계 방식은 집적 회로 기술의 발전과 함께 성능과 경제성 측면에서 지배적인 위치를 차지하게 했다.

PWM DAC는 펄스 폭 변조 신호를 아날로그 신호로 변환하는 방식이다. 이 방식은 디지털 값에 따라 듀티 사이클이 변하는 고주파의 구형파를 생성한 후, 이를 저역 통과 필터를 통해 평균값을 추출하여 아날로그 전압을 얻는다. 높은 듀티 사이클은 높은 평균 전압에, 낮은 듀티 사이클은 낮은 평균 전압에 대응한다. 이 변환 방식은 기본적으로 스위칭 동작에 기반하기 때문에 구현이 비교적 단순하고 효율이 높은 특징을 가진다.

주요 구성 요소는 디지털 카운터, 비교기, 그리고 저역 통과 필터이다. 디지털 입력 값은 비교기의 기준 전압으로 설정되며, 카운터가 생성하는 톱니파 신호와 비교된다. 이 비교를 통해 듀티 사이클이 입력 값에 비례하는 PWM 파형이 생성되고, 이 파형의 고주파 성분이 필터링되면 목표하는 아날로그 전압이 출력된다.

PWM DAC의 성능은 주로 사용되는 PWM 신호의 주파수와 필터의 성능에 의해 결정된다. PWM 주파수가 높을수록 필터링이 용이해져 출력의 리플 노이즈가 감소하고 응답 속도가 향상된다. 그러나 주파수를 무한정 높일 수는 없으며, 스위칭 손실과 제어 회로의 한계가 존재한다. 일반적인 응용 분야는 다음과 같다.

이 방식은 고정밀 고속 응용 분야보다는 비용 효율성, 단순성, 그리고 전력 제어가 중요한 분야에서 널리 사용된다. 델타-시그마 DAC나 R-2R 사다리형 DAC에 비해 선형성이나 해상도 면에서 한계가 있을 수 있지만, 적절한 필터 설계와 고주파 PWM을 통해 상당한 성능 개선이 가능하다.

해상도는 DAC가 디지털 입력 코드를 얼마나 세밀한 아날로그 출력 전압(또는 전류) 단계로 변환할 수 있는지를 나타내는 지표이다. 이는 DAC가 생성할 수 있는 서로 다른 아날로그 출력 레벨의 총 개수로 정의되며, 주로 비트(bit) 수로 표현된다. 예를 들어, 8비트 DAC의 해상도는 2^8 = 256개의 서로 다른 출력 레벨을 가질 수 있다. 해상도가 높을수록 디지털 신호를 더 정밀하고 부드러운 아날로그 신호로 재생할 수 있다.

해상도는 양자화 과정에서 발생하는 양자화 오차의 크기를 직접적으로 결정한다. 해상도가 낮을수록 각 디지털 코드 간의 아날로그 출력 차이, 즉 최소 변환 단위인 LSB의 값이 커지게 되어 계단 형태의 출력이 두드러지고 원본 신호의 재현 정확도가 떨어진다. 반면, 고해상도 DAC는 LSB 값이 매우 작아 계단 현상이 미미해지고, 결과적으로 신호 대 잡음비(SNR)가 향상된다.

해상도는 응용 분야에 따라 요구되는 수준이 다르다. 예를 들어, CD 음질의 오디오 재생에는 16비트 해상도가 표준으로 사용되었으나, 고음질 오디오 시스템에서는 24비트 또는 그 이상의 DAC가 일반화되었다. 한편, 해상도만 높다고 해서 전체 성능이 보장되는 것은 아니다. 실제 성능은 동적 범위, 선형성, THD+N 등 다른 성능 지표들과 종합적으로 평가되어야 한다.

샘플링 레이트는 DAC가 1초당 처리하는 디지털 샘플의 개수를 의미하며, 단위는 헤르츠(Hz)를 사용한다. 이는 디지털 신호가 원래의 아날로그 신호를 얼마나 자주 측정(샘플링)했는지를 나타내는 나이퀴스트-섀넌 샘플링 정리의 핵심 개념과 직접적으로 연결된다. DAC의 샘플링 레이트는 입력되는 디지털 데이터의 샘플링 레이트에 의해 결정되며, DAC는 이 주어진 레이트로 데이터를 변환한다.

재생 가능한 최고 주파수는 샘플링 레이트의 절반으로 제한된다. 예를 들어, 표준 오디오 CD의 샘플링 레이트는 44.1kHz이며, 이는 최대 22.05kHz까지의 주파수 성분을 재생할 수 있음을 의미한다[3]. 일반적인 오디오 DAC의 샘플링 레이트는 다음과 같다.

샘플링 레이트가 충분히 높지 않으면, 원래 신호에 존재하는 고주파 성분이 나이퀴스트 주파수(샘플링 레이트/2)를 초과할 경우 에일리어싱 현상이 발생한다. 이는 재생된 아날로그 신호에 원본에 없던 낮은 주파수의 왜곡 성분이 추가되는 현상을 일으킨다. 이를 방지하기 위해, ADC 변환 단계에서는 반드시 나이퀴스트 주파수 이상의 성분을 제거하는 저역통과필터(안티-에일리어싱 필터)를 적용한다. DAC 출력 단계에서도, 디지털 샘플을 부드러운 아날로그 파형으로 복원하기 위해 리컨스트럭션 필터가 필요하다.

THD+N은 총 고조파 왜곡 더하기 잡음의 약자로, 디지털-아날로그 변환기의 출력 신호 품질을 평가하는 핵심 지표 중 하나이다. 이는 기본 주파수 신호 대비 모든 고조파 왜곡 성분과 잡음 성분의 총합을 백분율(%) 또는 데시벨(dB)로 나타낸 값이다. 낮은 THD+N 값은 변환기가 원본 신호를 왜곡과 잡음 없이 정확하게 재생한다는 것을 의미하며, 고품질 DAC의 중요한 특징이다.

THD+N 측정은 일반적으로 순수한 정현파(예: 1kHz) 테스트 신호를 DAC에 입력한 후, 출력된 아날로그 신호를 분석하는 방식으로 이루어진다. 분석기는 기본 주파수 성분의 진폭과, 그 정수배 주파수인 고조파 성분 및 배경 잡음의 총 진폭을 측정하여 비율을 계산한다. 주요 고조파 왜곡의 원인으로는 비선형성, 클리핑, 교차 왜곡 등이 있으며, 잡음은 열 잡음, 양자화 잡음, 전원 노이즈 등 다양한 요인에서 발생한다.

고성능 오디오용 DAC의 경우 THD+N 값은 종종 0.001%( -100dB) 미만으로 매우 낮다. 이 지표는 신호 대 잡음비나 동적 범위와 함께 고려되어야 하며, 특히 저신호 레벨에서의 성능을 평가하는 데 유용하다. 설계 시 디더링 기술을 적용하거나 고해상도 변환기를 사용하면 양자화 왜곡을 줄여 THD+N 성능을 개선할 수 있다.

DAC는 디지털 오디오 재생의 핵심 구성 요소로서, CD 플레이어, 스마트폰, 컴퓨터 사운드 카드, 디지털 오디오 플레이어 및 AV 리시버 등 모든 디지털 오디오 장비에 필수적으로 사용된다. 저장되거나 스트리밍된 디지털 오디오 데이터(예: MP3, FLAC, WAV 파일)는 DAC를 통해 사람이 들을 수 있는 아날로그 신호로 변환된다. 고품질 오디오를 추구하는 사용자들은 종종 내장된 DAC의 성능을 개선하기 위해 별도의 외장형 DAC나 고급 사운드 카드를 사용한다.

오디오용 DAC의 성능은 음질에 직접적인 영향을 미친다. 높은 해상도와 샘플링 레이트는 원본 신호에 더 가까운 세밀한 재생을 가능하게 하며, 낮은 THD+N은 왜곡과 배경 노이즈를 최소화하여 깨끗한 사운드를 제공한다. 특히 고해상도 오디오 포맷(예: 24비트/192kHz)을 지원하는 DAC는 CD 음질을 넘어서는 더 넓은 다이내믹 레인지와 주파수 응답을 구현한다.

최근의 오디오 시스템에서는 DAC 칩이 단독으로 사용되기보다는, 디지털 인터페이스 수신, 디지턀 필터링, 아날로그 출력 증폭 등의 기능을 통합한 완전한 오디오 솔루션으로 발전했다. 또한, USB DAC는 컴퓨터나 모바일 기기의 범용 포트를 통해 고품질 오디오 출력을 제공하는 편리한 방식으로 널리 보급되었다. 무선 오디오 분야에서는 블루투스 이어폰이나 스피커 내부에 DAC가 장착되어 디지털 신호를 직접 변환한다.

DAC는 디지털 영상 신호를 아날로그 신호로 변환하여 모니터나 텔레비전과 같은 디스플레이 장치가 인식하고 표시할 수 있도록 하는 데 필수적인 역할을 한다. 초기의 컴퓨터 그래픽 시스템이나 디지털 방송 수신기, DVD 플레이어 등은 저장되거나 전송된 디지털 영상 데이터를 아날로그 신호로 변환하지 않으면 기존의 CRT 모니터나 TV에서 재생할 수 없었다. 이 변환 과정에서 DAC의 속도와 정확도는 화면의 깜빡임 방지, 색상 정확도, 선명도 등 화질에 직접적인 영향을 미쳤다.

영상 처리용 DAC는 일반적으로 RGB 색상 모델의 각 채널(빨강, 초록, 파랑)에 대해 별도의 변환기를 갖거나, 하나의 고속 변환기가 순차적으로 각 색상 성분을 처리한다. 변환된 아날로그 신호는 수평 동기 신호와 수직 동기 신호와 결합되어 VGA나 컴포지트 비디오와 같은 아날로그 비디오 인터페이스 표준을 통해 디스플레이로 전송된다. 주요 성능 지표로는 픽셀 클록 속도, 즉 초당 변환할 수 있는 픽셀의 수와 색상 심도(예: 8비트당 채널)에 따른 해상도가 있다.

디스플레이 기술이 DVI나 HDMI와 같은 완전한 디지털 인터페이스로 전환되면서, 순수한 아날로그 변환의 필요성은 줄어들었다. 그러나 여전히 레거시 장치 지원, 특정 아날로그 디스플레이 구동, 또는 디지털 인터페이스 내부에서 디지털-아날로그-디지털 변환 과정의 일부로 DAC가 활용된다. 또한 고성능 그래픽 카드는 디지털 출력을 제공하지만, 카드 내부의 GPU가 렌더링한 디지털 프레임 버퍼 데이터를 아날로그 신호로 변환하는 내부 DAC를 포함하는 경우가 많다.

DAC는 정밀한 전압이나 전류를 생성하여 다양한 측정 장비와 계측 시스템의 핵심 구성 요소로 작동한다. 특히 디지털 멀티미터, 오실로스코프, 신호 발생기, 자동화 테스트 장비 등에서 기준 신호를 제공하거나 제어 신호를 출력하는 데 사용된다. 예를 들어, 프로그램 가능한 전원 공급 장치는 DAC를 통해 소프트웨어로 설정된 정확한 전압 값을 출력한다. 또한 공정 제어 시스템에서는 DAC가 마이크로프로세서의 디지털 제어 명령을 받아 모터 속도나 밸브 개도 등을 조절하는 아날로그 제어 신호로 변환한다.

정밀 계측 분야에서는 DAC의 성능이 전체 시스템의 정확도를 결정한다. 높은 해상도와 낮은 비선형성을 가진 DAC는 미세한 전압 변화도 정확히 재현할 수 있어, 센서 교정이나 표준 신호 발생에 필수적이다. 데이터 수집 시스템에서는 DAC가 생성한 아날로그 신호를 참조 신호로 사용하여 ADC의 변환 정확도를 검증하거나 보정하는 데 활용되기도 한다.

산업 현장에서는 DAC가 프로그래머블 로직 컨트롤러나 분산 제어 시스템의 일부로 통합되어, 온도, 압력, 유량 같은 물리량을 제어하는 데 사용된다. 이 경우 아이솔레이션 기술이 적용된 DAC가 노이즈가 심한 환경에서도 정확한 신호 무결성을 유지하도록 설계된다.

클록 지터는 DAC가 디지털 데이터를 변환하는 데 사용하는 기준 클록 신호의 타이밍 불안정성을 의미한다. 이상적인 클록 신호는 각 주기가 완벽하게 일정하지만, 실제로는 열적 잡음, 전원 변동, 외부 간섭 등의 요인으로 인해 클록 에지의 순간이 기대한 시간에서 미세하게 일찍 또는 늦게 발생한다. 이 시간적 오차가 바로 클록 지터이다.

클록 지터는 DAC의 출력 품질, 특히 고주파 성분의 재현 정확도에 직접적인 영향을 미친다. 클록 지터는 디지털 샘플이 아날로그 값으로 변환되는 정확한 순간을 흐리게 만들어, 출력 신호에 원치 않는 위상 잡음이나 주파수 변조를 일으킨다. 오디오 DAC의 경우, 이는 음질의 열화로 나타나 음장의 안정성 감소, 고음역의 디테일 손실, 전체적인 음색의 변화를 초래할 수 있다.

클록 지터의 영향을 최소화하기 위한 설계 및 구현 전략은 다음과 같다.

고성능 DAC 시스템에서는 클록 지터를 피코초(picosecond) 수준 이하로 관리하는 것이 중요하다. 시스템 전체의 성능은 종종 클록의 순도에 의해 결정되므로, 정밀한 클록 생성과 배분은 DAC 설계에서 가장 중요한 고려사항 중 하나이다.

전원 노이즈는 DAC의 성능을 저하시키는 주요 요인 중 하나이다. DAC는 정밀한 기준 전압을 바탕으로 디지털 코드를 아날로그 값으로 변환하기 때문에, 공급 전원의 잡음은 직접적으로 출력 신호의 품질에 영향을 미친다. 이러한 노이즈는 주로 전원 공급 장치(PSU)의 리플, 스위칭 레귤레이터의 스위칭 주파수, 또는 주변 회로의 전자기 간섭(EMI)에서 발생한다. 전원 노이즈는 DAC의 출력에 원치 않는 신호 성분을 추가하여, 특히 고해상도 오디오나 정밀 측정 시스템에서 THD+N 값을 악화시키고 신호 대 잡음비(SNR)를 낮춘다.

전원 노이즈의 영향을 최소화하기 위한 설계 기법은 다양하다. 가장 기본적인 방법은 DAC 칩의 전원 핀 근처에 바이패스 커패시터와 디커플링 커패시터를 배치하는 것이다. 이들은 고주파 노이즈를 흡수하고 국소적으로 안정적인 전원을 공급하는 역할을 한다. 특히, 서로 다른 커패시턴스 값(예: 100nF 세라믹 커패시터와 10μF 탄탈럼 커패시터)을 병렬로 사용하여 광대역의 노이즈를 억제하는 것이 일반적이다. 더 높은 요구 사항이 있는 경우, LDO 레귤레이터와 같은 저잡음 선형 전원 레귤레이터를 스위칭 전원 뒤단에 사용하여 리플을 추가로 제거한다.

아날로그 전원(AVDD)과 디지털 전원(DVDD)을 분리하는 것도 중요한 고려사항이다. DAC 내부의 디지털 회로(예: 입력 레지스터, 클록 버퍼)에서 발생하는 고속 스위칭 노이즈가 아날로그 출력 회로로 전달되는 것을 방지하기 위해, 두 전원 라인은 별도로 설계하고 가능하다면 별도의 레귤레이터로부터 공급받는다. 또한, 인쇄회로기판(PCB) 설계 시 전원 평면을 견고하게 구성하고, 아날로그와 디지털 접지 평면을 적절히 분리하거나 단일점에서 연결(스타 접지)하여 접지 루프와 노이즈의 상호 간섭을 줄이는 것이 필수적이다.