D/Aコンバータとは

D/Aコンバータとは

D/Aコンバータ(Digital-Analog Converter)は,デジタル信号をアナログ信号に変換する回路です。
マイコンからスピーカーなどのアナログ入力が必要な部品を制御する場合に用いられます。

デジタル信号は0と1しかありませんが,アナログ信号には無限の値が存在します。
そのため,デジタル信号からアナログ信号に変換するときに,重要になる要素が二つあります。
それはデジタル信号をどこからどこまでのアナログ信号に変換するかを決める基準と,
何分割にして変換するかを決める分解能です。
基準には正のリファレンス電圧(+VREF)と負のリファレンス電圧(-VREF)があり,
D/Aコンバータはその範囲内で出力します。

(一般的なマイコンに搭載されたD/Aコンバータは,+VREF=VREF,-VREF=0Vが多いと思います。
ですので,以下VREFと0Vで表します)。
分解能とはD/A変換時にどこまでアナログ信号を滑らかに再現できるか?を表す能力です。
分解能が10ビットでは210=1024、すなわちVREFを1024分割した精度でアナログ信号を
取り出すことができることを意味しています。
ここで最小分解能幅VREF/1024を1LSBといいます。

この分解能は8bitや10bit,12bit,16bitなどがあり,この数字が大きいほどアナログ信号を
滑らかに再現することができます。逆に分解能が小さいほどかくかくとしたアナログ信号になります。
この分解能は,入力されるデジタル信号の本数で決まります。
たとえば8bitD/Aコンバータの場合,入力されるデジタル信号が8本です。
そしてVREFが2の8乗の256分割されます。

D/Aコンバータの種類

D/Aコンバータには様々な方式があります。
ここではD/Aコンバータを理解できるように抵抗分割方式について説明します。

抵抗分割方式

抵抗分割方式で3bitのD/Aコンバータ,すなわちVREFを8分割する場合を考えてみます。
単純に抵抗ラダーで分割するだけですので,8つの抵抗でVREFを分割してみましょう。
抵抗分割方式のD/Aコンバータの回路構成を下図に示します。
並んでいるスイッチのうちどれかがONしてVOUTが出力されます。
ここで重要な要素を押さえておきますと,一個の抵抗Rの両端の電圧差は,1/8×VREFです。
一般的に記述してみるとVREF/(2n)となります。
回路をよく見てみると,D/Aコンバータの最大値が7/8×VREFとなっています。

では次にVREFが出せるように抵抗を一個削除してみましょう。
下図に示します。
これでVREFから0Vまでしっかり出せるようになりました。
しかし,抵抗R一個当たりの電圧差は,1/7×VREFとなります。
一般的な書き方をするとVREF/(2n-1)となります。
8信号(3bit)が得られますが,抵抗R一個当たりの電圧差は1/7×VREFになります。
つまりD/Aコンバータの出力が1/7×VREF,2/7×VREF,・・・VREFとなります。
これら抵抗分割は目的によって使い分ける必要があるでしょう。
ここではD/Aコンバータの分解能には二種類の考え方があるということを理解しておきましょう。

D/Aコンバータの出力インピーダンスについて

一般的にD/Aコンバータには出力インピーダンスが定義されています。
出力インピーダンスとはD/Aコンバータの出力から流せる電流を,抵抗値を用いて表現した値です。
D/Aコンバータの等価回路を下図に示します。

これはたとえば2Vを出力する,出力インピーダンスが5kΩのD/Aコンバータの出力を
グラウンドにした場合,2V/5kΩ=400uAしか電流を流せません。

D/Aコンバータにスピーカーなど大きな電流を必要とする部品をつなげる場合,
この出力インピーダンスが大きいことにより部品を駆動できない問題が生じる可能性があります。
このような問題を回避するためには,D/Aコンバータ出力にアンプを接続することにより
出力インピーダンスを減らすことが可能になります。