AN-1169: リニア・ゲイン設定モードの詳細説明 (Rev. A) PDF

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AN-1169
アプリケーション・ノート
リニア・ゲイン設定モードの詳細説明
著者: Miguel Usach
はじめに
デジポットは、一般にアンプのゲインをデジタル的に設定する
とき、または電源レギュレータの出力電圧を設定するときに使
われます(図 1 と 図 2 参照)。
抵抗 R1 と R2 をデジタル・ポテンショメータで置き換えると、
伝達関数は対数になります。図 4 に、LDO の例を示します。
4.5
4.0
ADP123
VOUT
3.5
OUTPUT VOLTAGE (V)
VOUT
R1
11057-001
ADJ
R2
図 1.LDO 出力電圧の調整
VOUT
1.5
0.5
0
11057-002
R2
R1
CODE
図 4.LDO の対数伝達関数
図 2.非反転アンプ
両ケースとも、LDO の場合は式 1 に、非反転アンプの場合は式
2 にそれぞれ示すように、伝達関数は 2 つの変数 R1 と R2 に依存
します。

2.0





  

11057-004
AD8515

  

2.5
1.0
VIN

3.0




人体は照明やオーディオの刺激の直線的な受容体でないため、
照明やオーディオの制御などのアプリケーションによってはこ
の対数伝達関数が望ましい場合がありますが、多くの電子的ア
プリケーションでは直線的な伝達関数が好まれます。
(1)
出力の直線化
(2)
デジポットにロードするコードに比例する直線的な出力を実現
する方法は 3 つあります。これら 3 つの方法を次のセクション
で詳しく説明します。
ポテンショメータ・モードでデジポットを使う場合、これらの
伝達関数は簡単ではありません。これは、両抵抗ストリング
RAW と RWB は相補的、すなわち RAW = RAB − RWB であるためで
す (図 3 参照)。
デジポットを可変抵抗器モードで使用
デジポットは、2 つの端子のみを使用する可変抵抗器モードで
使用することができます(図 5 参照)。
A
A
W
RWB
11057-003
B
B
11057-005
W
RAW
RAB
図 5.可変抵抗器モード
図 3.ポテンショメータ抵抗
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Rev. A
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AN-1169
アプリケーション・ノート
結論は前述の方法と同じです。すなわち、調整可能な出力ゲイ
ンは小さくなりますが、このケースではセトリング・タイムが
小さくなります。これは式 4 の RWB’ 値が小さいためです。
このモードでは、ディスクリート抵抗とデジポットの組み合わ
せを使う必要があります。非反転アンプでの例を図 6 に示しま
す。
AD8515
VOUT
全体並列抵抗値は小さくなるため、抵抗ノイズは直列抵抗の場
合より小さくなります。
RWB
デジポットには内部リーク電流があることに注意が必要です。
デジポットを流れる電流を少なくするため並列抵抗 R2 を小さく
選択すると、直線性誤差(R-INL と R-DNL)がデータ・シートの
既定値よりかなり大きくなることがあります。
11057-006
RHEOSTAT MODE
(4)
図 6. 可変抵抗器制御による非反転アンプ
このソリューションを使用する主な利点は、回路の簡素さ、広
い出力範囲、高速なセトリング・タイムです。トレードオフ点
は、デジポットの許容誤差は一般に最大約 ±20% であるため全
体出力誤差が大きくなることです。R2 を固定すると、これによ
り抵抗不一致が生じます。
ポテンショメータの直線化
デジポットをバーニア DAC として構成すると(図 9 参照)、端子
A と端子 B の電圧は直列抵抗 R1 と R2 の存在により制限されま
す。
+IN
アナログ・デバイセズは、これらの構成の性能を向上させるた
め±8%および±1%の抵抗許容誤差を持つデジポットを提供して
います(セレクション・テーブル参照)。
RAB
A
R1
RAW
W
さらに、デジポットに直列に抵抗を接続して出力誤差を小さく
することができます(LDO の図 7 を参照)。
OUT
B
R2
RWB
11057-009
R2



VIN
–IN
図 9.バーニア DAC
この方法の目的は、出力範囲を小さくして出力の直線性を向上
させることです(2 つの構成に対する図 10 を参照)。
1.2
R1 = 1kΩ, R2 = 50kΩ
R1 = 1kΩ, R2 = 10kΩ
LINEAR (R1 = 1kΩ, R2 = 50kΩ)
LINEAR (R1 = 1kΩ, R2 = 10kΩ)
1.0
OUTPUT VOLTAGE (V)
図 7.直列抵抗による許容誤差の削減
このケースでは、許容誤差を 20% とすると、誤差は無視できま
す (R2 >> RWB)。言い換えれば、調整可能な出力ゲインを小さく
し、セトリング・タイムを大きくすることにより、出力誤差を
向上させることができます。 最終抵抗値は式 3 で決まります。


0.8
0.6
0.4
(3)
0
CODE
11057-010
0.2
誤差を小さくする 2 つ目の方法は、デジポットに並列に抵抗を
接続する方法です(図 8 参照)。
図 10.バーニア DAC による LDO 電圧
この構成では、可変抵抗器モードのデジポットより直線性誤差
が小さくなり、温度係数が小さくなります。
端子間の最終抵抗値は式 5 と式 6 で決まります。
図 8.並列抵抗による許容誤差の削減
このケースでは、公称端子間抵抗値は 10 kΩ、50 kΩ、100 kΩ で
あるため、R2 << RWB とすることができます。
Rev. A
- 2/4 -


(5)


(6)
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抵抗許容誤差が小さい(±8%および±1%)デジポットを使うことが
推奨されます。許容誤差が大きいほど、抵抗不一致誤差が大き
いことに注意してください。
リニア・ゲイン設定モードのイネーブル
リニア・ゲイン設定モードでは、内部抵抗ストリング RAW と
RWB は 相 互 に 依 存 し ま す 。 AD5144 、 AD5142 、 AD5124A 、
AD5141 で採用されている特許取得済みの新しいアーキテクチ
ャは、柔軟性を向上させて各ストリング RAW と RWB の独立な値
設定を可能にします(図 13 参照)。
このケースでは、20% (typ)の抵抗許容誤差を使い、並列抵抗と
デジポットを組み合わせて使って、全体誤差を小さくします。
(図 11 参照)。
+IN
R1
RAB
RAW
R3
OUT
11057-011
RWB
R2
–IN
図 11.バーニア DAC での許容誤差の削減
この場合も、この構成のリーク電流の影響を考慮することが重
要です。小さい並列抵抗値を選択すると、R3 に電流が流れます。
端子間の最終抵抗値の計算は非常に複雑であるため、最適な方
法は図 12 に示す Y-Δ 変換を使用する方法です。
RAW
+IN
R3
R1
+IN
RWB
RAB
R1
R4
R3
OUT
RAW’
OUT
–IN
R6
R5
R2
RWB’
11057-012
R4
–IN
このモードをイネーブルすると、出力電圧は直線的になり、一
方の抵抗ストリング値 RWB を固定し、他方のストリング RAW を
設定します。動作モードは、可変抵抗器モードのデジポットと
ディスクリート抵抗とを組み合わせて使う場合と同じですが、
このケースでは、外付けの並列抵抗または直列抵抗の組み合わ
せを使用しないで、全体許容誤差が 1% 以下になります。
ゲインは抵抗比により設定され、両ストリング・アレイで共通
に全体抵抗許容誤差が無視できるため、これを実現することが
できます。
R6
R5
R2
図 13.リニア・ゲイン設定モード
図 12.Y-Δ 変換
ここで、
図 14 に、RAW をゼロスケールからフルスケールへ変化させ、
RWB を 10 kΩ のデジポットのミッドスケールに固定する例を示
します。プロットを詳細に解析すると、抵抗 RAW または RWB が
小さいとき小さいコードで、不一致が ±1%を超えます。これは、
内部 CMOS スイッチ抵抗内の無視できない影響により加わった
誤差が原因です。
5
(7)

(8)


(9)


(10)

4
R6 は、この抵抗の影響を無視できるようにするため、高インピ
ーダンス入力へ接続する必要があります。
3
2
1
0
–1
0
50
100
150
200
RAW DECIMAL CODE
図 14.10 kΩ 抵抗の一致誤差
Rev. A
- 3/4 -
250
11057-114

MISMATCH ERROR (%)

AN-1169
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このスイッチの影響は、1/4 スケールより大きいコードを選択す
ることにより相殺できます。
RAW によるゲイン誤差は、


リニア設定モードをイネーブルすると、端子 A と端子 B との間
の最大抵抗を公称デジポット抵抗の 2 倍に設定することができ
ます。言い換えれば、RAB 抵抗がポテンショメータ・モードで
10 kΩ の場合、リニア設定モードで両ストリング抵抗をフルス
ケールに設定すると、RAB = 20 kΩ になります。
同じ性能を 2 チャンネル・デジポットを使って実現できますが、
このソリューションではコストとサイズが増加し、セトリン
グ・タイム性能が低下します。


 




この構成を使用するもう 1 つの利点は、温度係数が小さくなる
ことです(図 14 参照)。このケースでは、各ストリング抵抗の絶
対温度係数が重要ではなく、比を決定する特定コードに対する
温度係数間の差が重要です。

  

















RWB によるゲイン誤差は、
TEMPCO RWB
TEMPCO RAW

したがって、総合誤差は、
75

50
100
150
200
CODE
255
20
TEMPERATURE COEFFICIENT (ppm/°C)
0
図 15.10 kΩ 抵抗温度係数
例えば、図 16 の回路を例にします。ゲイン = 3 とすると、コー
ド比は式 11 で表されます。
AD5141
A
B
RAW
RWB
W
VOUT
10
0
–10
–20
–30
–40
11057-117
VIN
RWA
RWB
0
 

100
150
200
CODE
図 16.リニア・ゲイン設定モードでの非反転アンプと AD5141
 
50
255
11057-017
15
図 17.100 kΩ 抵抗の温度係数
(11)
RWB コードを 250 に固定すると、RAW コードは 125 になります。
概算として、フル温度範囲での温度係数による全体誤差は次の
ようになります。
コード 125 での RAW は 20 ppm/C
改訂履歴
8/13—Rev. 0 to Rev. A
Changes to Equation 2 .......................................................................... 1
コード 250 での RWB は-2 ppm/C
Rev. A

温度に対して小さい誤差が必要な場合は、大きい端子間抵抗値
を使う必要があります(100 kΩ に対する図 17 参照)。この特別な
ケースでは、コード全範囲で温度係数が平坦であるため、誤差
は小さくなると予想されます。
35
0
–5

抵抗一致誤差と同様に、小さいコードではスイッチ抵抗温度係
数が支配的ですが、大きいコードでは影響が小さくなります。
55
11057-016
TEMPERATURE COEFFICIENT (ppm/°C)
95
12/12—Revision 0: Initial Version
- 4/4 -
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