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温度、圧力、加速度など、身の回りの物理信号はすべてアナログ量である。これらをデジタル信号処理で扱うためには、A/D変換器やD/A変換器でアナログからデジタルへ、デジタルからアナログへ変換する必要がある。センサーネットワーク、自動車、高速通信など、デジタル処理の場が広がれば広がるほど、重要性を増すのがA/D、D/A変換器の基礎知識だ。日経BP社は、「A/D、D/A変換器の回路設計と利用のポイント」と題した講座を、技術者塾として開催する(講座の詳細)。本講座で講師を務める群馬大学 理工学部 電子情報理工学科 客員教授/東京理科大学 理工学部 電気電子情報工学科 嘱託助教の松浦達治氏に、講座の狙いや効果、オペアンプの理解のポイントなどについて聞いた。

群馬大学 理工学部 電子情報理工学科 客員教授/東京理科大学 理工学部 電気電子情報工学科 嘱託助教の松浦達治氏
群馬大学 理工学部 電子情報理工学科 客員教授/東京理科大学 理工学部 電気電子情報工学科 嘱託助教の松浦達治氏

――A/D変換器、D/A変換器を基礎から理解する効果について、ご紹介ください。

 半導体回路の微細化が進み、さまざまな処理がデジタルで行えるようになってきました。しかしながら、温度、圧力、加速度など、半導体回路の外部の物理信号はすべてアナログ量です。これらをデジタル信号処理で扱うためにはA/D変換器、D/A変換器でアナログからデジタルへ、デジタルからアナログへ変換する必要があります。

・用途に応じて、どのような分解能や動作速度のA/D、D/A変換器が必要なのか?
・ある分解能、動作速度のA/D変換器やD/A変換器を実現するには、どのようなアーキテクチャーの変換器があるのか?
・どのようなアーキテクチャーを採用すれば、電力や面積を小さくできるのか?
・A/D変換器やD/A変換器の性能を表す指標として、分解能、変換速度、直線性精度、有効ビット、信号対雑音比などがあるが、これらは用途に合わせてどう設計しなければならないのか?

 このような基本的な疑問は、変換器の基本を理解することで解答できるようになります。そして、適切な変換器を、その特性を生かして応用したり、また適切な設計ができるようになります。これが、本講座の目的の1つです。

――A/D変換器、D/A変換器に関する知識や理解は、今後ますます必要とされるようになるのでしょうか。

 デジタル処理が多用される時代になるからこそ、A/D、D/A変換器の重要性が増してきます。例えば、以下のような疑問が出てくる場面が、どんどん増えてくるでしょう。

・センサーネット向けの低電力A/D変換器が必要とすると、どのようなアーキテクチャーの変換器が最も低電力になるのでしょうか? そして、現在どの程度の低電力化が実現できているのでしょうか? 例えばμWでしょうか、それより低い数十nWでしょうか?

・エンジン制御のマイクロコンピューターには、どの程度の分解能と速度のA/D変換器が必要ですか? 自動車の制御をする加速度センサーには、どの程度の性能のA/D変換器が必要でしょうか? 環境にやさしい電気自動車やハイブリッドカーのモーターコントロールには、どの程度のA/D、D/A変換器が必要なのでしょうか? それらに適した変換器アーキテクチャーはどんな方式ですか?

・高速の有線通信や無線通信では高度なデジタル変復調が使われますが、これらの変調信号を変復調するためには、どのようなA/D変換器やD/A変換器が必要なのでしょうか? 現在到達できている最高の変換速度はどの程度でしょうか? そして、それらはどのようなアーキテクチャーの変換器で実現されているのでしょうか?

 現代のエレクトロニクス産業を考えると、あらゆるところでA/D、D/A変換器が活用されていることに気づきます。これらの専門知識を持って、活用できるエンジニアはますます待望されていると考えてよいでしょう。

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