日本語参考資料 最新英語アプリケーション・ノートはこちら 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 アナログ・デバイセズ社は、提供する情報が正確で信頼できるものであることを期していますが、その情報の利用に関して、あるいは利用によって 生じる第三者の特許やその他の権利の侵害に関して一切の責任を負いません。また、アナログ・デバイセズ社の特許または特許の権利の使用を明示 的または暗示的に許諾するものでもありません。仕様は、予告なく変更される場合があります。本紙記載の商標および登録商標は、それぞれの所有 者の財産です。※日本語版資料は REVISION が古い場合があります。最新の内容については、英語版をご参照ください。 Rev. A ©2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 本 社／〒105-6891 東京都港区海岸 1-16-1 ニューピア竹芝サウスタワービル 電話 03（5402）8200 大阪営業所／〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原 3-5-36 新大阪トラストタワー 電話 06（6350）6868 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) AN-1169 アプリケーション・ノート 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 アプリケーション・ノート 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 －