線形トリミングの概要

線形トリミングは、アナログ入力をデジタル出力にマッピングする伝達関数の線形性を保証することを目的としたアナログ・デジタルコンバータ (ADC) において重要なプロセスです。アナログ信号をデジタル形式で忠実に再現するには、この精度が不可欠です。

目的とニーズ

目的: 線形トリミングの主な目的は、ADCの伝達関数に存在する非直線性を較正して修正することです。理想的な状況では、ADCは入力に正比例した出力を生成します。しかし、実際のADCは、部品公差、温度変動、製造上の不一致などの要因により、この理想的な直線性から逸脱する可能性があります。線形トリミングはADCの特性を微調整し、理想的な線形応答に近い位置にします。

ニーズ: 計測器、医療機器、高忠実度オーディオシステムなど、正確さと精度が要求されるアプリケーションでは、ADC内の非線形性がアナログ信号のデジタル表現に大きな誤差と歪みをもたらす可能性があります。デジタル出力が全動作範囲にわたってアナログ入力を忠実に反映するようにするためには、線形トリミングが不可欠な要件になります。

DNLとINLの概念

微分非線形性 (DNL): DNLは、各コードの実際のステップ幅と想定されるステップ幅、通常は1最下位ビット (LSB) との間に存在する不一致の定量化として機能します。理想的なアナログ・デジタルコンバータ (ADC) の領域では、各コード幅は1LSBに正確に一致することが期待されます。しかし、実用的なADCの現実では、この完全一致は大変難しいものです。したがって、DNLは実際のステップ幅と予想される1LSBとの間の変動を特徴付けるために介入します。DNLが-1から+1LSBの範囲内にある場合、ADCの伝達関数内でコードが省略されたり欠落したりしていないことを意味します。

積分非直線性 (INL): 一方、INLは理想的な直線からのADCの伝達関数によって示される偏差を定量化します。この線は、最適にフィットする直線か、伝達関数の端点を結ぶ直線のいずれでも良いです。INLは各符号の実際の位置と指定された直線の間の発散をLSBで表したものです。INL値が低いほど線形ADCを意味し、理想化された線形応答との優れた整合を示します。

ADCの線形性を評価する際には、DNLとINLの両方が重要なパラメータになります。線形トリミングに適用される技術は、主にこれらの不一致を最小化することを目的としています。これにより、特に高い正確性と精度が要求されるアプリケーションにおいて、ADCの性能を強化します。

次のセクションでは、線形トリミングのための多様なアナログおよびデジタル戦略を探求し、ADC性能を向上させる上での役割と意義について詳しく説明します。

線形トリミングのためのアナログ技術

線形トリミングのためのアナログ技術の適用は、伝達関数の直線性を高めるために、アナログ・デジタルコンバータ (ADC) 内のアナログ部品の物理的な調整を含みます。このセクションでは、広く使われている2つのアナログ技術、すなわち抵抗ラダーへの修正と電流源への調整について掘り下げます。

抵抗ラダーの調整

ADC内では、R-2Rネットワークのような抵抗ラダーは、ADC内に埋め込まれたデジタル・アナログコンバータ (DAC) の不可欠な部品として頻繁に利用されます。これらの抵抗ラダーの精度と直線性は、ADCの性能を形成する上で重要な役割を果たします。

調整技術: ラダーネットワーク内で抵抗値を厳密に一致させることは、正確な性能を得るために不可欠です。要求される抵抗値を達成するために細心のレーザートリミング技術を使用して、製造プロセス中にトリミングの手順を実行することができます。あるいは、デジタルポテンショメータは別のアプローチを提供します。これらは制御レジスタを介して調整することができ、ルーチン操作中に較正を行うことができます。

直線性への影響: ラダー構造内での抵抗マッチングの精緻化は、微分非線形性 (DNL) 誤差と積分非線形性 (INL) 誤差を減少させます。結果として、この強化はADCの全体的な直線性を向上させ、ディジタル・アナログ変換機能においてより正確で精密な性能を提供します。

電流源の調整

逐次近似ADCのような特定のADCアーキテクチャでは、基準電圧の生成は電流源に任せられます。ADCによって示される直線性の程度は、これらの電流源の精度に特に影響されます。

調整技術: 電流源に関連する調整手順は、一般にトリミング可能なカレントミラーを使用する必要があります。これには、カレントミラー内の金属酸化物半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) のゲート電圧を微調整するか、電流源のバイナリ加重の組み合わせを使用して、希望の電流レベルを正確に確立することなどが含まれます。さらに、デジタルインタフェースを介して容易になる外部較正含む代替手段もあります。この較正法は補正因子の蓄積を可能にし、ADCの動作フェーズ中の電流源に適用することができます。

直線性への影響: 電流源の入念な較正と調整は、ADCの線形伝達関数を維持する上で最も重要です。電流源内の不正確さや誤差は、潜在的にリファレンス電圧に非線形特性を誘発し、それによってADCの全体的な直線性に悪影響を及ぼす可能性があります。

直線性トリミングのためのデジタル技術

線形性トリミングのアナログ技術は物理的な部品調整を中心に展開しますが、デジタル技術はADC内の非直線性の問題を修正するためにアルゴリズムとデータ処理に依存します。このセクションでは、線形トリミングに採用されている2つの重要なデジタル手法、すなわちコード密度解析とデジタル誤り訂正について考察します。

コード密度分析

符号密度解析は、ADC内での微分非線形性 (DNL) エラーの発生を精査し、修正するために使用される方法です。この技術の基礎は基本原理に依存しています。一様に分布した入力信号を受けたとき、ADCの出力コードヒストグラムは理想的には均一性を示す必要があります。

技術: この技術は、ADCを一様分布の既知の入力信号に服従させ、続いて出力コードのヒストグラムを精査することによって展開されます。この精査は、微分非線形性 (DNL) 誤差が現れるADC内の領域を特定する目的で行われます。DNL誤差の存在は、出力コードヒストグラムで期待される一様分布からの逸脱があるときに明らかになります。

訂正: コード密度解析から得られた知見をもとに、補正係数を生成することができます。これらの補正因子は出力コードの調整アプリケーションで使用され、DNL誤差の影響を軽減し低減することを目的としています。この補正処理はデジタル領域内で展開され、通常デジタル信号処理 (DSP) やマイクロコントローラ内で実行されます。この手順は、ADCを構成するアナログ部品に変更を加えることなく実施されており、そのデジタル性を明確に示します。

デジタル誤り訂正

デジタル誤り訂正技術は、A/Dコンバータ (ADC) の積分非線形性 (INL) および差動非線形性 (DNL) 誤差の両方を修正するために適用される手法のクラスを表します。これらの技術は、非直線性の影響を相殺するためにADCのデジタル出力に数学的な調整を適用することに重点を置いています。

技術: 一般的に採用されているアプローチの1つは、異なるADC出力コードに対応するLUTハウジング補正値の利用を伴います。ADCからの生の出力はこのテーブル内のインデックスとして機能し、LUTから対応する補正値を取得することができます。

較正: LUTの開発には、通常、較正の段階が必要になります。較正中に、既知の入力信号がADCに印加され、結果の出力コードが予測値と比較されます。このプロセスで識別された不一致は、必要な訂正値をLUTに入力するために使用されます。

実装上の考慮事項: デジタル誤り訂正技術の適用には通常、LUTまたは訂正アルゴリズムの記憶のための追加の処理リソースおよびメモリの割り当てを伴うことは注目に値します。さらに、これらの技術はADC出力にレイテンシを追加する可能性があることを認識することが重要であり、タイミング精度が最も重要なアプリケーションで懸念される要因になります。