CN0191

図1に示すD/Aコンバータ（DAC）はSPIインターフェースを備えた高電圧20ビット・コンバータAD5791で、±1 LSBのINL、±1 LSBのDNL 、7.5 nV/√Hzのノイズ・スペクトル密度を実現します。また、AD5791は0.05 ppm/°Cという極めて低い温度ドリフトを実現します。AD5791は高精度のアーキテクチャを採用しているので、規定された直線性を確保するため、電圧リファレンス入力にフォース/センス・バッファを使う必要があります。リファレンス入力をバッファするためのアンプ（B1およびB2）は、低ノイズ、低温度ドリフト、低入力バイアス電流のものを選択する必要があります。この機能のために推奨するアンプは、0.6μV/°Cの低オフセット・ドリフトと2nAの低入力バイアス電流を特長とする36V、2.8nV/√Hzの超高精度デュアル・オペアンプAD8676です。また、AD5791はこのデュアル・オペアンプを使ってその電圧リファレンス入力をバッファした状態で特性が評価され、出荷時のキャリブレーションが行われているので、これらのデバイスの組み合わせに対する信頼性（性能の再現性）がさらに向上します。

AD5791を独立した正リファレンス電圧と負リファレンス電圧を使って駆動し、出力電圧範囲が負リファレンス電圧から正リファレンス電圧まで（この場合−10V～+10V）になるようにした回路を図1に示します。出力バッファには、低ノイズで低ドリフトのAD8675（AD8676のシングル・オペアンプ・バージョン）を使用しています。AD8676アンプ（A1およびA2）は、+5Vのリファレンス電圧を+10Vと−10Vにスケーリングするのにも使用されています。これらのスケーリング回路のR2、R3、R4、R5は、許容誤差0.01%、温度係数0.6ppm/°Cの高精度な金属箔抵抗です。全温度範囲で最高の性能を得るためには、Vishay 300144シリーズやVSR144シリーズなどの抵抗ネットワークが使用できます。抵抗性熱ノイズによるシステムのノイズを低く抑えるために、小さい抵抗値（1kΩおよび2kΩ）を選択しています。R1とC1はカットオフ周波数が約10Hzのローパス・フィルタを形成します。このフィルタの目的は電圧リファレンスのノイズを減衰させることです。

直線性の測定

図1に示す回路の精度に関する性能は、DACコードの関数としての積分非直線性と微分非直線性を示す図2と図3のデータで実証されています。図からわかるように、積分非直線性と微分非直線性はどちらも±1 LSBの仕様内に十分収まっています。

この回路の未調整での全誤差は、DC誤差の組合せ（つまり、INL誤差、ゼロスケール誤差、フルスケール誤差）からなります。図4に、DACコードの関数としての未調整の全誤差のグラフを示します。DACコードがゼロ（ゼロスケール誤差）のときとDACコードが1,048,575（フルスケール誤差）のときに誤差が最大になります。これは予測値で、抵抗ペアR2およびR3、抵抗ペアR4およびR5の不整合、アンプA1、A2、B1、B2のオフセット誤差に起因します（図1参照）。

この場合の抵抗ペアの不整合の規定値は最大0.02%（不整合の代表値はこれよりもはるかに小さい）です。アンプのオフセット誤差は最大75μV、つまり、フルスケール範囲の0.000375%で、抵抗の不整合による誤差に比べると無視できるくらいの大きさです。したがって、フルスケール誤差とゼロスケール誤差の予測値はそれぞれ最大で約0.02%、つまり約210 LSBになります。図4の測定値は、フルスケール誤差の測定値が1 LSB、ゼロスケール誤差の測定値が4 LSB、つまり、フルスケール範囲の0.0003%であることを示しているので、すべての部品の許容誤差がその規定の最大値より大幅に優れていることが分かります。

ノイズの測定

高精度を実現するには、回路出力でのピークtoピーク・ノイズを1 LSB未満に抑える必要があります。1 LSBは20ビットの分解能で20Vのピークtoピーク電圧範囲の場合、19.07μVに相当します。10秒間にわたり0.1Hz~10Hzの帯域幅で測定したピークtoピーク・ノイズを図5に示します。3種の条件でのピークtoピーク値は、ミッドスケール出力で1.48μV、フルスケール出力で4.66μV、ゼロスケール出力で5.45μVです。ノイズはミッドスケール出力で最小となっています。これはDACコアからのノイズのみを表しているからです。ミッドスケールのコードを選択したときは、各電圧リファレンス経路からのノイズの影響はDACによって低減されます。

しかしながら、実際のアプリケーションでは、0.1Hzで1/fノイズを減衰させるハイパス・カットオフ・フィルタ特性ではなく、通過帯域にDCまでの周波数が含まれます。したがって、図6のほうが、より現実的に実測ピークtoピーク・ノイズを示しています。この場合、回路の出力でノイズを100秒間測定しているので、実効的に0.01Hzまでの低い周波数が測定に含まれています。上側のカットオフ周波数は約14Hzで、測定セットアップによって制限されます。図6に示す3つの条件でのピークtoピーク値は、ミッドスケール出力で4.07μV、フルスケール出力で11.85μV、ゼロスケール出力で15.37μVです。ワーストケースのピークtoピーク値である15.37μVは約0.8 LSBに相当します。

測定時間を長くすると低い周波数が含まれ、ピークtoピーク値が大きくなります。低周波数では、温度ドリフトと熱電対効果がノイズに影響するようになります。これらの影響は、AD5791、AD8675、AD8676のような温度係数の低い部品を選択し、回路の構築について慎重に検討することによって最小限に抑えることができます。「さらに詳しい資料」セクションのリンクされたドキュメントを参照してください。