1. 디지털-아날로그 변환회로
Digital-to-Analog Converter디지털 신호를 아날로그 신호로 변환시키는 장치이다. 역방향 처리를 수행하는 장치로는 ADC가 있다.
DAC는 다양한 분야에서 사용되고 있다. 아날로그 영상 단자가 널리 쓰이던 시절에는 그래픽 카드 역시 RAMDAC이라는 DAC의 품질에 따라 영상의 품질이 결정되곤 했었고[1], DVD 플레이어 역시 아날로그 출력이 메인이었을 때는 DAC의 성능 스펙을 클럭(주로 MHz 단위)으로 표기하면서 최대 해상도 및 주사율을 가늠하는 지표로써 활용했었다. 단, DAC의 클럭은 최대 해상도 및 주사율을 결정해줄 뿐, 화질을 가늠하는 지표가 아니므로 유의할 것. 현재는 디스플레이가 거의 디지털화되었기 때문에 RAMDAC이 생략되는 경우도 있다. 혹은 들어가더라도 그래픽 칩 자체에 내장되어 있다. 다만 시각 자료를 눈으로 보기 위해서는 아날로그 형태로 변환해야 하기 때문에 패널 자체에 화소의 밝기를 제어하는 역할을 하는 회로가 있다.[2]
1.1. 오디오에서 DAC
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| 휴대용 USB DAC Chord Mojo |
소리는 아무리 디지털화된 음원과 시스템을 이용하더라도 소스~앰프 단에서 뭔 짓을 하든 간에 사람이 귀로 소리를 듣는 방식 자체를 바꾸지 않는 한, 스피커에서 음파를 발생시켜 귀에 전달하기 위해서는 반드시 아날로그 신호로 변환해야 한다.[3]
DAC의 부품 구조는 다음과 같다. 신호가 들어오는 USB나 S/PDIF 입력 단자가 있고, 입력 단자로 유입되는 노이즈를 차단하기 위한 아이솔레이터가 있다. 그 후에 있는 디지털 변환 회로(DDC)는 USB나 S/PDIF 같은 신호를 DAC 칩셋이 요구하는 신호인 I2S로 변환한다. 그후 DAC 칩셋으로 들어가서 아날로그 신호로 변환된다.
이 사이에 음질 향상이나 음향 효과를 부여하기 위한 DSP 기능이 들어가기도 한다.
최종적으로 아날로그 회로인 프리앰프가 있다. DAC 칩에서 출력된 미세한 음향 신호를 라인 레벨까지 출력을 끌어올린 뒤 오디오 기기로 전송한다.
DAC에는 회로의 동작 타이밍을 제어하는 클럭의 성능이 중요하다. 클럭이 정밀하지 못하면 지터 노이즈의 원인이 된다. 고가형 제품들의 경우 기본적으로 TCXO를 채용하며 더 나아가 4~5백만원대 초고가 제품들의 경우 온도 변화폭에 따른 오차범위가 0.1ppm 정도인 초정밀 TCXO를 채용하기도 한다. TCXO는 온도변화에 따른 클럭 오차범위가 적어 지터를 줄일수 있다. USB 등의 클럭에 따라 DAC에서 지터가 날 수 있다는 말도 있는데 지터는 DAC의 클럭에 의해서만 결정된다. 그 이유는 DAC에는 PCM 데이터를 임시저장하는 버퍼가 있고, 실제 DAC의 동작은 자체 클럭에 의해 비동기적으로 작동되기 때문이다.
DAC에 전원을 공급하는 부품으로는 파워서플라이가 있다. DAC의 전원 장치로는 리니어 파워 서플라이가 이상적이나, 발열과 크기 문제로 스위칭 주파수 방식의 파워 서플라이가 제공되는 경우도 많다. 일부 스위칭 주파수 아답터의 경우 초고속으로 스위칭될 때 발생되는 노이즈가 DAC에 유입되어 음질에 영향을 주는 경우가 있다. 물론 오디오쟁이들이 말하는 정전압 선형 주파수 전원(리니어 방식) 리플 노이즈 1mV 미만 이 스위칭 주파수 전원(SMPS) 리플 노이즈 5~20mV[4]보다 훨씬 유리하긴 하지만 가장 유리한건 100% 올바른 파형을 보여주는 배터리가 DAC 전원중 갑이다. 리플 노이즈 0.1mV 미만[5]
하지만 SMPS로도 한 자리수 리플 노이즈를 내는 제품이 오디오용 말고도 있긴 하다. 일반적으로 고가 100만원대 거치형 DAC에 포함되는 SMPS 회로나 어댑터 리플 노이즈가 5~9mV인데 PC용 파워 서플라이가 이정도면 상위 1% 이내에 충분히 들어갈만한 수준의 리플 노이즈 값이다. 보통 PC 파워는 고가형이라 해도 12~15mV 수준의 리플 노이즈가 나온다. 특히나 로드율이 오르고 전압이 높아질수록 리플 노이즈 감쇄가 힘들어지는데 저정도면 상당히 좋은 축에 속한다.
1.2. 종류
아날로그 디지털 변환 회로와도 원리가 흡사한 방식들이 많다.1.2.1. Delta-Sigma
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| Delta-Sigma DAC의 기본 구조 |
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| ESS의 플래그십 DAC인 ES9039PRO |
Delta-Sigma Modulator → Decimation Filter → 1-bit Switch → Low Pass Filter 구조로 이루어진 DAC이다.
델타-시그마 모듈레이터는 오버샘플링-적분기-양자화기-피드백 루프 순으로 구성된다. 작동 순서는 다음과 같다.
- 먼저 입력된 샘플링 주파수를 목표 대역폭의 n배로 오버샘플링하여 노이즈를 분산시킨다. 예시로 20kHz짜리 신호를 2.8 MHz로 샘플링하면 70배 오버샘플링을 한 것이다.
- 적분기(Integrator)를 통해 현재 샘플과 이전 잔차를 더해 누적시킨다.
- 누적된 값을 1-bit (0 또는 1)로 반올림하여 양자화(Quantizer)한다. 이 과정에서 양자화 노이즈가 발생한다.
- 양자화된 결과를 다시 적분기로 되돌려 빼 주는 과정을 반복한다. 그 결과 잡음 성분이 목표 주파수 대역[6] 바깥의 고주파 대역으로 밀려난다.
- 이후 디지털/아날로그 로우패스 필터를 통해 노이즈를 밀어낸 고주파 대역을 날려버리면 노이즈가 제거된 깨끗한 아날로그 출력신호만 남는다.
오디오용 DAC를 기준으로 서술하면, 디지털 신호가 델타-시그마 모듈레이터를 거치면 노이즈 성분이 가청주파수 바깥으로 밀려난 오버샘플링된 1-bit 스트림이 출력된다. 이 스트림은 Decimation Filter에 입력되어 가청주파수 대역만 남기고 고주파 대역을 잘라버리며, 샘플링 레이트도 본래의 44.1kHz, 48kHz 등 원하는 비트레이트로 감소시킨다.
Decimation을 거친 디지털 스트림은 1-bit 스위치에 들어와서 전압 레벨(아날로그 신호)로 변환되며, 마지막으로 아날로그 로우패스필터를 통해 한번 더 고주파 잡음을 필터링한 다음 오디오 신호로 출력된다.
델타 시그마 DAC의 이론적 개념 정립은 1950년대에 이루어졌고, 상용화는 1990년대부터 시작되었다. 시장에 등장한 뒤 R2R DAC를 빠르게 대체해 나갔으며, 고성능, 저전력, 소형이라는 장점 덕에 오늘날에는 오디오용 DAC/ADC의 표준과도 같은 방식으로 자리잡았다.
장점
- 놀라운 정밀도
구동 원리 상 디지털-아날로그 변환 과정에서 생기는 노이즈를 유효 주파수 대역 바깥으로 싹 치워버릴 수 있으므로 굉장히 깨끗한 결과물이 나온다. 이 덕에 현대 오디오 DAC의 주류가 된 것은 물론이고, 산업계에서도 낮은 주파수의 고해상도 출력/계측이 필요한 경우 델타-시그마 DAC/ADC를 사용한다.
- 작은 부피
신호처리에 필요한 것들은 전부 하나의 집적회로에 집어넣을 수 있으며, 이외에는 많은 부품이 필요하지 않다. 따라서 연산칩셋과 클럭 제너레이터의 성능만 충분하다면 얼마든지 소형화가 가능하다. R2R이나 String DAC로 32bit 분해능을 달성하려면 부피가 어마어마해지는 것은 물론이고 못해도 수백개 이상의 부품들이 들어가며 가격도 마구 치솟지만, 델타-시그마 DAC는 손톱보다 작은 10달러짜리 칩셋이 32bit 384kHz의 대단히 높은 분해능을 발휘할 수 있다.
- 부품 편차에 둔감
물론 클럭 제너레이터 등은 정확해야 하지만, 저항의 편차까지 일일히 맞춰야 하고 후보정까지 필요한 R2R과 달리 애초에 필요한 부품도 몇 없는데다 개개 부품의 편차를 그렇게 정밀하게 맞출 필요도 없다.
- 노이즈 최소화
스위치가 DAC에 딱 1개만 들어가므로 여러 스위치의 동시 동작이나 각 스위치의 편차로 인해 발생하는 노이즈(glitch)가 거의 0에 가깝다.
단점
- 대역폭 제한
R2R이나 String DAC는 디지털 소스에 기록된 전체 대역이 그대로 출력되지만, 델타-시그마는 앞서 설명한 오버샘플링→필터링 과정을 거치기 때문에 전체 대역폭이 샘플링 대역/오버샘플링 배율에 비례하여 제한된다. 음향기기에 들어가는 델타-시그마 DAC의 디지털 필터는 필터링 세팅에 따라 조금씩 다르지만 대략 18~24kHz부터 필터링을 시작하여 25~30kHz 이상의 주파수는 -50 ~ -100 dB 수준으로 감쇄된다.[7]
가청주파수까지만 커버하면 그만인 음향기기나, 1kHz 이하의 저주파 제어가 필요한 영역에서는 큰 단점이 아니지만, MHz부터 GHz에 이르는 고주파 신호가 필요한 각종 산업기기나 레이더 같은 장비에는 이 단점 때문에 델타-시그마 DAC를 쓸 수 없다. 따라서 수 MHz 수준의 주파수와 높은 정밀도가 필요한 곳에서는 R2R 방식의 DAC를 많이 사용하며, 수십 MHz부터 GHz에 달하는 고주파 제어에 더해 높은 출력까지 필요한 곳에는 Current-Steering / pipeline DAC를 사용한다.[8]
- 레이턴시 발생
디지털 필터와 모듈레이터를 통과하며 신호처리가 이루어지는 과정에서 수 마이크로초 정도의 지연이 발생하게 된다.
1.2.2. R2R
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| 4-bit R2R DAC의 회로도 |
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| Topping Centaurus의 32-bit R2R DAC (우측 하단) |
두 저항 (R, 2R)과 1개의 스위치로 이루어진 저항 사다리를 이용하는 DAC이다. 각 Branch(R, 2R, 스위치)가 1개의 비트를 출력할 수 있기 때문에 String 방식 대비 저항의 수를 획기적으로 줄일 수 있다.
R2R 방식은 비트마다 가중치가 다른데, MSB(Most Significant Bit, 가중치 [math(2^{n-1})])로 갈수록 높은 전류가 할당되며, LSB(Least Significant Bit, 가중치 [math(2^0)])로 갈수록 낮은 전류가 할당된다.
1950년 중반에 처음 등장하여 1990년대까지 널리 사용된 방식으로, 1980~1990년대에는 CD 플레이어나 컴퓨터용 오디오 시스템에도 탑재되는 등의 전성기를 맞았다. 그러나 21세기부터 Delta-Sigma DAC가 대중화되면서 현재는 수요가 급격히 줄어들었고, 일부 오디오필 기기들에서나 간간히 찾아볼 수 있다.
장점
- String 방식 대비 적은 저항의 수
n-bit R2R DAC에 필요한 저항의 최소 수는 2n+1개다. 비트에 따라 저항의 요구량이 산술급수 형태로 증가하기 때문에, 기하급수로 증가하는 String 방식 대비 훨씬 적은 개수의 저항으로 높은 bit를 출력하는 회로를 만들 수 있다.
- 빠른 동작속도
저항망의 시정수가 String 방식 대비 훨씬 낮기 때문에 수십~수백mbps 수준의 높은 샘플링 레이트에도 대응할 수 있다.
- 단순한 구조
딱 두 개의 저항값을 지니는 저항만 가지고 만들 수 있기 때문에 설계 난이도도 낮고 제작도 쉽다. 유튜브나 해외 음향 커뮤니티를 뒤져보면 R2R DAC를 자작하는 사람들을 흔히 찾아볼 수 있고, DIY용 R2R 기판도 쉽게 구할 수 있다.
단점
- 저항 편차에 민감
R2R 방식은 String 방식과 달리 저항의 편차가 출력의 선형성과 INL/DNL에 직접적으로 영향을 준다. 이 때문에 R2R DAC에 사용되는 저항들은 R/2R의 비율이 정확히 1:2를 유지해야 하며, 실제 제조 시에는 ±0.01% 이하의 매칭이 권장된다. 단순한 구조에도 불구하고 R2R DAC의 값이 여전히 비싼 것에는 이게 한몫을 톡톡히 한다.
- 스위치 동시 전환 시 노이즈 발생
R2R 방식은 디지털 입력 코드가 바뀔 때 여러 비트의 스위치의 동시 on/off 전환이 이뤄지는데, 이 때 스위치 내부의 채널 커패시턴스와 각 Branch의 스위치 동작 타이밍의 미세한 차이로 인해 이상 전압 펄스(glitch pulse)가 발생하게 된다. 특히 MSB에 가까운 Branch일수록 이 영향이 크게 나타난다. 이걸 막기 위해서는 마찬가지로 가능한 편차가 적은 비싼 부품을 사용해야 하기 때문에 고품질 R2R 회로의 가격을 올리는 또 하나의 요인.
- 후보정 필요
앞서 설명한 두 단점에 해당하는 상황이 발생하면 DNL(Differential Non-Linearity)과 INL(Integral Non-Linearity)이 떨어지게 되며, 이를 막기 위해 R2R DAC 회로는 완성 이후에도 후보정이 필요하다. 저항 값의 오차는 레이저로 물리적으로 지지거나 전류 트림 회로를 통해 보정하며, 개별 스위치의 편차는 제어 칩셋의 캘리브레이션을 통해 각각 스위치의 가중치를 미세조정하여 매칭한다.
1.2.3. String
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| 3-bit String DAC의 회로도 |
가장 오래된 방식이자 가장 간단한 구조의 DAC로, 무려 19세기 중반에 등장한 'Kelvin DIvider'라는 전압 분배기의 개념에 기초한 DAC이다.
String이라는 이름답게 동일한 R값의 저항을 직렬로 쭉 박아놓고, 각 노드마다 위치한 스위치를 여닫아 전압을 분배하여 출력 전압을 조정하는 단순한 구조를 가지고 있다.참조 다만 구조 상 출력 전압의 분해능(bit)를 n bit로 세분화하기 위해서는 [math(2^n)]개의 저항이 필요하기 때문에, 높은 bit의 회로를 만들기에는 부피와 부품 숫자 면에서 굉장히 비효율적인 방식이다.
1920년대에 정밀 저항과 계전기, 진공관을 통해 최초로 구현되었으며, 대략 1970년대까지 쓰이다가 R2R DAC에게 대체되었다. 물론 DAC라는 물건이 그렇듯 오디오에만 쓰인 것은 아니고 다양한 산업계 전반에 걸쳐 쓰였다. 대표적으로 미니트맨 III의 관성항법장치에도 12 bit String DAC가 들어갔다.
장점
- 완벽한 단조성(monotonicity)
모든 입력 코드에서 출력이 연속적으로 증가한다. 따라서 구조적으로 언더슛이나 오버슛이 절대 발생하지 않는다.
- 스위칭 노이즈 최소화
한 번에 1개의 스위치만 전환되는 구조 때문이다.
- 우수한 선형성
저항이 직렬로 연결된 특성 상 개개 저항의 편차가 전체 출력의 선형도에 큰 영향을 끼치지 않는다.
단점
- 무지막지한 크기와 부피
String DAC로 n-bit 출력을 하기 위해서는 [math(2^n)]개의 저항이 필요하다. 16 bit String DAC를 전통적인 구조로 만들기 위해서는 65,536개의 저항을 직렬로 깔아야 한다는 소리다.
물론 비트를 반반으로 쪼개어 구성하는 등의 우회책이 있기 때문에 높은 bit의 String DAC가 실제로 만 단위의 저항을 쓰지는 않는다. 예시로 16 bit String DAC를 8+8 bit로 구성하면 본래 6만개가 넘어야 할 저항의 수를 256+256+n개로 크게 줄임과 동시에 버퍼도 2개로 늘릴 수 있다. 그러나 아무리 이런 우회책을 쓴다고 해도 R2R과 비교가 안 되는 수의 저항이 필요하기 때문에, 쌀알만한 몇 달러짜리 델타-시그마 DAC 칩셋이 32bit 384kHz 디코딩까지 지원하는 지금에는 자작하는 사람조차 거의 찾아보기가 어려운 방식이다.
- 느린 동작속도
끝없이 많은 저항을 깔아야 하는 특성 상 회로의 시정수가 매우 커지며, 따라서 고속 응답이 어렵다. 이 때문에 구조적으로 높은 샘플링 스피드를 달성할 수 없다.
- 가격
개개 저항의 편차가 전체 출력에 큰 영향을 끼치지 않는다고는 하지만, 그렇다고 편차가 제멋대로인 아무 저항을 갖다가 쓸 정도인 것은 아니다. R2R DAC에 쓰는 저항보다는 편차가 조금 더 커도 된다고는 하지만, 필요한 저항의 개수가 기하급수적으로 차이가 나기 때문에 요즘 오디오에 쓸 수 있는 하한선인 16 bit 이상의 String DAC는 저렴하게 만드는 것이 불가능하다.
1.2.4. Segmented
R2R DAC는 String 방식에 비해 부피를 크게 줄일 수 있지만 저항과 스위치의 편차에 매우 민감하다. 특히 상술하였듯 MSB 쪽으로 갈수록 편차에 대한 민감도가 증가하여 미세한 편차라도 출력의 품질을 크게 좌우하게 되는데, 공산품이 다 그렇듯 아무리 정밀하게 만들어도 공차가 0이 될 수는 없다.그래서 등장한 것이 분할형(Segmented) DAC로, MSB 쪽에는 편차에 둔감한 String DAC 구조를 적용하고, LSB 쪽에는 일반적인 R2R 구조를 사용하는 방식이다. 단순 R2R DAC보다 구조가 복잡해지지만 부품 편차로 인한 출력 문제를 해결하고 충분한 구동속도도 확보할 수 있는 방식이다.
1.2.5. Current-Steering
전류원 배열들을 스위치를 통해 합류시켜 출력 전류를 생성하는 DAC. 저항을 떡칠하는 방식은 아니지만 구조만 보면 String DAC와 흡사하다.레이더나 통신망이 사용하는 MHz, GHz 수준의 파형도 감당할 수 있을만큼 처리 속도가 굉장히 빠르고, 불요파(Spurious) 억제 설계도 가능하며, 차동 출력도 가능한 등 장점이 많다. 사실 델타-시그마 DAC의 내부에 들어가는 1-bit DAC도 전류 스티어링 방식이다.
단점은 R2R과 비슷하게 전류원과 스위치의 매칭이 출력의 선형성을 크게 좌우한다.
1.2.6. Switched-Capacitor
1.2.7. PWM/PDM
1.2.8. Multipling
1.3. DAC 칩 제조사
- AKM
- Burr-Brown: 1983년에 설립되었다. 2000년에 텍사스 인스트루먼트에 인수되어 브랜드만 남았다.
- Cirrus Logic
- Conexant
- ESS
- Realtek
1.4. 같이보기
2. 동음이의어
2.1. 직접 공기 포집
위키피디아 Direct air captureDirect Air Capture. 직접 공기 포집. 공기중에서 직접적으로 이산화탄소를 포집하는 기술이다.
탄소 포집 문서 참조.
2.2. 개발원조위원회
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의 [[도타 2 아시아 챔피언십#|]] 부분을2.4. Diamond Anvil Cell
직역하면 금강석 모룻간. 초소형 다이아몬드 그릇이라 보면 되는데, 초고압 환경을 만들 때 쓰인다. 금속 수소도 여기서 발견했다.2.5. 하즈랏 샤잘랄 국제공항의 IATA 코드
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의 [[하즈랏 샤잘랄 국제공항#|]] 부분을[1] 이 방면에서 유명했던 것이 매트록스, 그 외 S3 Graphics나 ATI도 나름대로 괜찮은 품질로 평가받았다. NVIDIA는 이쪽에서 약세긴 했지만 가끔 독자적인 출력단으로 이쪽에 신경쓴 제품(캐노퍼스의 NVIDIA 그래픽 카드)도 있었다.[2] LCD 백라이트의 밝기나 OLED, AMOLED 패널의 화소 밝기는 DAC를 이용하지 않고 펄스폭 변조(PWM)를 이용한다.[3] 앰프까지는 '디지털 앰프'라는 것이 있다. 음원을 PWM으로 변환해서 증폭 후 출력하는 방식이다. DAC도 이와 유사한 방법으로 디지털 신호를 아날로그로 변환한다. 하지만 디지털 PWM 앰프라고 해도 결국 출력단에 로우 패스 필터를 쓰든가 PWM의 주파수 자체를 MHz수준으로 끌어올려서, 스피커에서 받아들이는 최종 입력 시그널은 실질적으로 아날로그다. 디지털 앰프나 풀 디지털 앰프는 사실상 스피커를 구동할 정도의 출력을 내는 DAC이다.[4] 고가 오디오 기기들에서 채용하는 SMPS의 경우는 리플 노이즈 저감 회로 및 효율을 조금 떨어트리지만 스위칭 주파수를 낮춰서 설계하기 때문에 웬만해서 인간의 청각으로 리니어 파워 서플라이와 구분이 힘들다.[5] 다만 배터리로 만들경우 끝까지 정전압을 유지하기 힘들고 12V 이상 출력을 내기 위해서는 꽤 거대해져야 하기 때문에 보통 배터리를 채용하는 경우가 드믈다. 아니면 그냥 UPS를 사다 쓰기도 하는데, 항상 배터리를 거쳐 전원을 출력하는 On-line UPS는 부피, 무게, 가격 모두가 상당해서 부담이 꽤 심하다. 전자 담배마냥 리튬 배터리 보호 회로 떼어다 쓰는 경우가 종종 있긴한데 얼마 못 간다[6] 오디오의 경우 ~20kHz의 가청주파수 이상[7] MQA니 24bit니 하는 초고음질 음원에 목을 맬 필요가 없는 이유이기도 하다. 음원이 제아무리 40kHz, 100kHz 대역까지의 정보를 포함하고 있다고 하더라도 애초에 그 대역은 가청주파수도 아니라 인식할 수도 없고, 어떤 청각적 정보가 포함된 영역도 아닌데다, 일반적인 이어폰/헤드폰/스피커는 18~20kHz 이상부터는 진동판 자체의 한계로 인해 음압이 크게 떨어지며, 여기에 더해 DAC가 해당 대역을 잘라버리기 때문에 설령 당신이 돌고래나 박쥐라고 하더라도 일반적인 음향기기와 델타-시그마 DAC를 쓴다면 가청주파수 바깥 영역의 소리는 들을 수 없다.[8] R2R 방식은 수백 MHz 이상의 영역부터는 저항과 스위치의 미세한 편차와 회로의 시정수 문제로 인해 선형도가 떨어지며 설계 난이도도 급증한다.