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AN-1085 アプリケーション・ノート 乗算型 DAC―AC/任意リファレンス・アプリケーション 著者: Liam Riordan
乗算型DACは、任意の電圧信号またはAC電圧信号の乗算に最適 なビルディング・ブロックを提供します。バッファ付き電流出 力DACアーキテクチャでは、非反転ゲイン・アンプ構造を採用 しています。乗算型DACはR-2Rアーキテクチャを採用して、図 1 に示す可変RDAC抵抗の機能を実現しています。VREFピンから 見たDACの入力インピーダンスは固定ですが、出力インピーダ ンスは、等価な可変RDAC値を与えるコードに依存して変化し ます。
概要 乗算型 D/A コンバータ(DAC)は、任意または AC のリファレン ス信号を使って動作できる点で従来型の固定リファレンス DAC と異なります。このアプリケーション・ノートでは、電流出力 乗算型 DAC の原理について詳しく説明し、これらの DAC が AC 電圧および任意電圧のコンデショニングに適している理由を 説明します。
このアプリケーション・ノートで使用するデバイスAD55xxと AD54xxは、www.analog.com/MultiplyingDACに掲載している乗 算型DACを意味します。
基本的な波形減衰 AC 信号ゲインを調整するシンプルな方法は、従来型の反転オペ アンプ・ステージを使う方法であり、十分な帯域幅を持つアン プを選択して、次式に従ってゲインを調節します。 VOUT = −[RDAC/RFB(VIN)]
機能ブロック図 IOUT DAC
AC REFERENCE
RFB 0V A1
0V ATTENUATED REFERENCE
09275-001
RDAC
図 1.反転ゲインの設定
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アプリケーション・ノート 目次 概要......................................................................................................1
シグナル・コンデショニング用に重要なDAC仕様 ...................... 5
基本的な波形減衰 ..............................................................................1
乗算帯域幅...................................................................................... 5
機能ブロック図 ..................................................................................1
アナログ総合高調波歪み .............................................................. 5
乗算型DAC .........................................................................................3
乗算フィードスルー誤差 .............................................................. 5
ゲインの追加 ..................................................................................3
オペアンプの選択.............................................................................. 6
正の電圧入力/正の電圧出力 .........................................................3 シングルエンド/差動変換構成 .....................................................4 安定性の問題 ..................................................................................4
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アプリケーション・ノート 乗算型DAC
つまり、乗算型 DAC の出力信号は、リファレンス入力とデジタ ル入力値の積に比例します。
乗算型DACでは、電流がIOUT1 ノードに接続された仮想グラウ ンドまたはグラウンド・ノード(デバイスによってはIOUT2 ノー ド)に流れるため、出力電圧のグリッチは非常に小さくなります (図 2 参照)。
ゲインの追加
この構成で IOUT DAC を使う主要な利点の 1 つは、内蔵 RFB 抵 抗が RDAC の等価抵抗と一致するため、ゲイン温度係数の誤差 が非常に小さくなることです。
VIN より大きい出力電圧が必要なアプリケーションでは、外付け アンプを追加してゲインを増やすか、あるいはシングル・ステ ージで実現することもできます。
出力アンプをユニポーラ・モードで接続した場合、図2に示すよ うに、出力電圧は次式で与えられます。
図 3 に示す推奨構成を使って、回路のゲインを増やします。R1、 R2、R3 はすべて同じ温度係数を持つ必要がありますが、DAC の温度係数に一致する必要はありません。
D V REF 2n
正の電圧入力/正の電圧出力
ここで、 Dは、DACに設定されるデジタル・ワード(非整数値)。 D = 0～255 (8ビットAD5450) = 0～1023 (10ビットAD5451) = 0～4095 (12ビットAD5452) = 0～16,383 (14ビットAD5453) = 0～65,536 (16ビットAD5543) n =ビット数。
乗算型DAC構成を使って正電圧出力を発生させるときは、シグ ナル・チェーンへ反転アンプを追加して出力を再反転させるこ とができます。もう 1 つの方法は、図 4 のような抵抗を内蔵す るデバイスを選択する方法です。内蔵抵抗を使う方法の利点は、 これらの温度係数がほぼ一致していることです。
AC REFERENCE
VREF
0V
C1
RFB
VDD
IOUT1
AD55xx
SYNC
SCLK
A1
0V
GND SDIN
ATTENUATED REFERENCE
GND MICROCONTROLLER
09275-002
VOUT
図 2.乗算型 DAC、VOUT = 0 V～−VREF
AC REFERENCE
0V
VREF SYNC
C1
RFB
VDD R1
AD55xx SCLK
IOUT1
A1
0V
GND SDIN
R3 R2
GND
GAINED OUTPUT
MICROCONTROLLER R2 + R3 R1 R2 × R3 R1 = R2 + R3
図 3.乗算型 DAC 使用による信号ゲイン
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09275-003
GAIN =
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アプリケーション・ノート A2
C2 RCOM
VREF
ROFS
RFB C1
AC REFERENCE
ATTENUATED REFERENCE
AD55xx
R1
IOUT1
0V VDD
A1
0V
GND SCLK
SDN
GND 09275-004
SYNC
MICROCONTROLLER
図 4.乗算型 DAC、VOUT = 0 V～VREF
A2
RCOM
1.5V
A3
C2 VREF
ROFS
RFB C1
AC REFERENCE
DIFFERENTIAL OUTPUT VOLTAGE
AD55xx
R1
IOUT1
1.5V VDD
A1
GND SCLK
SDN
1.5V
A4
GND
09275-005
SYNC
MICROCONTROLLER
図 5.シングルエンド/差動変換構成
帰還コンデンサC1 がDACの内部RFBと並列に接続されます(図 2 参照)。C1 が小さ過ぎると出力で歪みが発生し、大き過ぎると システムの帯域幅に悪影響を与えます。DACの内部出力容量は コードにより変化するため、C1 の正確な値を決めることは困難 です。この値は、次式で近似されます。
シングルエンド/差動変換構成 この構成を使って差動出力を発生するときは、2 個のオペアン プを追加する必要があります。詳細については、CN-0143 サー キ ッ ト ・ ノ ー ト 「 Single-Ended-to-Differential Converters for Voltage Output and Current Output DACs Using the AD8042 Op Amp」を参照してください。
C1 20
安定性の問題
1 GBW
ここで、 GBW は使用するオペアンプの小信号ユニティ・ゲイン帯域幅積。 CO は DAC の出力容量。
目的の波形コンデショニング信号を実現するために考慮しなけ ればならない重要部品は、補償コンデンサです。DACの内部出 力容量によりオープン・ループ応答内に極が導入されるため、 クローズド・ループ・ランプ発生回路でリンギングや不安定が 発生することがあります。これを補償するため、通常、外付け
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CO 2 R FB
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アプリケーション・ノート シグナル・コンデショニング用に重要なDAC仕様
乗算帯域幅 乗算帯域幅は、ゲインが-3 dBとなる入力周波数で表します。与 えられたデバイスに対して、乗算帯域幅は振幅と選択した補償 容量の関数になります。 図 6 に、AD5544、AD5554、または AD545x電流出力DACの乗算帯域幅のプロットを示します。これ らのDACは最大 12 MHzまでの信号を乗算することができます。 一緒に使用している低消費電力 AD8038 オペアンプは 350 MHz の帯域幅を持っているため、このスケールでオペアンプから発 生するダイナミック誤差は小さくなっています。
V2
V3
V4
V5
FREQUENCY (Hz)
図 7.総合高調波歪み
乗算フィードスルー誤差 乗算フイードスルー誤差は、全ビット 0 をDACにロードしたと きの、リファレンス入力からDAC出力への容量フイードスルーに より発生する誤差として定義されます。理論的には、DB0 まで 1 ビット低下するごとに、ゲインに 6 dBの減衰が発生します (図 8 参照)が、下位ビットほど、乗算フイードスルーはデバイスのゲ インに多く影響を与えます。これは、図 8 で、平坦な直線が下位 ビットほど上向きになることにより示されます。例えば、14 ビ ットDACのDB2 では、1 MHzで 72 dBになるはずですが、実際に はフイードスルーのため 66 dBになります。
TA = 25°C VDD = 5V 0
–3
10
= ±2V, AD8038 C COMP = 1pF = ±2V, AD8038 C COMP = 1.5pF = ±15V, AD8038 C COMP = 1pF = ±15V, AD8038 C COMP = 1.5pF = ±15V, AD8038 C COMP = 1.8pF 100k
1M
0 –10
10M
100M GAIN (dB)
–9 10k
VREF VREF VREF VREF VREF
09275-079
–6
FREQUENCY (Hz)
図 6.乗算帯域幅
アナログ総合高調波歪みは、乗算された波形信号に含まれる高 調波の数学的な表現です。基本波値 V1 に対する DAC 出力の高 調波(V2、V3、V4、V5)の rms 和の比で、次式で表わされます。
THD 20 log
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DB11 DB10
–30
DB9
–50
アナログ総合高調波歪み
DB12
–20
–40
DB8 DB7 DB6 DB5
–60
DB4 DB3
–70
DB2
–80 10k
TA = 25°C LOADING ZS TO FS
ALL ON DB13
VDD = 5V VREF = ±3.5V CCOMP = 1.8pF AD8038 AMPLIFIER 100k
1M
10M
FREQUENCY (Hz)
V2 2 V3 2 V4 2 V5 2 V1
図 8.乗算フィードスルー誤差
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09275-108
3
GAIN (dB)
V1
09275-007
MAGNITUDE (dB)
AC リファレンス入力信号または任意のリファレンス入力信号を 乗算する際に考慮しなければならない幾つかの重要な AC 仕様 としては、乗算帯域幅、アナログ総合高調波歪み、乗算フイー ドスルー誤差などがあります。
100M
AN-1085
アプリケーション・ノート オペアンプの選択 乗算型 DAC 回路の性能は、選択したオペアンプがラダー出力で ヌル電圧を維持し、電流/電圧変換を実行する能力に強く依存し ます。最適 DC 精度を得るためには、DAC 分解能と釣り合った 誤差を維持するために、低いオフセット電圧と低いバイアス電 流を持つオペアンプを選択することが重要です。詳細なオペア ンプ仕様は、デバイスのデータシートに記載されています。
ガイドラインは、リファレンス信号周波数の 10 倍の-3 dB 帯域 幅を持つオペアンプを選択することです。
リファレンス入力が比較的高速な信号を持つアプリケーション の場合、信号品質の低下を回避するため広帯域幅で高スルーレ ートのオペアンプが必要です。オペアンプ回路のゲイン帯域幅 (GBW)は、帰還回路のインピーダンス・レベルとゲイン構成に より制限されます。必要とされる GBW を求めるときの有効な
表 1 に、乗算アプリケーションに使用できるオペアンプの選択 肢を示します。
大きな高周波信号の歪みを制限するためにはオペアンプのスル ーレート仕様を考慮する必要があります。AD54xx と AD55xx デ バイスに対しては、一般にスルーレート 100 V/µs のオペアンプ は十分な性能です。
詳細については、www.analog.com/MultiplyingDACの乗算型DAC 製品ページを参照してください。
表 1.アナログ・デバイセズ高速オペアンプの選択肢 Part No.
Supply Voltage (V)
BW @ ACL (MHz)
Slew Rate (V/µs)
VOS (Maximum) (µV)
IB (Max) (nA)
Packages
AD8065 AD8066 AD8021 AD8038
5 to 24 5 to 24 5 to 24 3 to 12
145 145 490 350
180 180 120 425
1500 1500 1000 3000
0.006 0.006 10,500 750
ADA4899 AD8057 AD8058 AD8061 AD8062 AD9631
5 to 12 3 to 12 3 to 12 2.7 to 8 2.7 to 8 ±3 to ±6
600 325 325 320 320 320
310 850 850 650 650 1300
35 5000 5000 6000 6000 10,000
100 500 500 350 350 7000
SOIC-8, SOT-23-5 SOIC-8, MSOP-8 SOIC-8, MSOP-8 SOIC-8, SC70-5, SOT-23-5 LFCSP-8, SOIC-8 SOT-23-5, SOIC-8 SOIC-8, MSOP-8 SOT-23-5, SOIC-8 SOIC-8, MSOP-8 SOIC-8, PDIP-8
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