リファレンス回路入門
A/Dコンバータ (ADC) の重要な部分はリファレンス回路です。それらは、変換プロセスの正確さと完全性を維持する上で重要な役割を果たします。
ADCにおける役割と重要性
名前が示すように、アナログ・デジタルコンバータは連続するアナログ信号を離散的なデジタル表現に変換します。この変換プロセスの精度と信頼性は、精密測定機器から通信システムまで、さまざまなアプリケーションに不可欠です。リファレンス回路は、以下のようなさまざまな方法でADCを支援します。
変換のベンチマーク: リファレンス回路はアナログ入力を比較するための固定規格を作成します。例えば、電圧ベースのADCでは、基準電圧が測定される最大電圧を設定します。この規格は量子化レベルの決定、最終的にはADCの精度を決定するのに役立ちます。
時間と条件による安定性: 性能を一定に保つためには、リファレンスは安定していなければなりません。安定したリファレンスにより、特にこれらの変動のある環境では、温度や電源電圧の変化にもかかわらず、変換が正確であることが保証されます。
線形性の向上と誤差の削減: 正確で信頼性の高いリファレンス回路により、ADC出力の非線形性と不正確性が低減されます。これは誤差の余地がほとんどない高分解能アプリケーションで重要です。
ダイナミックレンジの最大化: ADCの入力幅は主にその基準電圧によって決まります。適切な基準電圧または電流を選択することで、デジタル形式に正確に変換できるアナログ値の範囲を広げることができます。
リファレンス回路の種類
電圧リファレンス: これらを利用して、アナログ入力電圧と比較するための定常電圧レベルを確立します。一般的な電圧リファレンスの例としては、バンドギャップリファレンスやツェナーリファレンスなどがあり、温度変動や電源の変化に直面しても安定性を維持できることでよく知られています。
電流リファレンス: 電流リファレンスは信頼できる電流源を提供します。これらは、電荷再分配ADCのような特定のADCアーキテクチャにおいて重要な役割を果たします。このアーキテクチャでは、コンデンサの正確な充電または放電には一貫した電流源が不可欠です。
リファレンスバッファ: リファレンス電圧や電流源をADCに直接接続するのではなく、バッファを介してチャネル化されることがよくあります。通常、このバッファはオペアンプの形をとり、ADC入力がリファレンスソースに負担をかけず、その値を変更しないようにします。
プログラマブルリファレンス: いくつかの状況では、適応可能なリファレンスを持つことが有利であることがわかっています。プログラマブルリファレンスは、デジタル調整または代替方法のいずれによっても、アプリケーションの特定の要件に合わせて異なるリファレンスレベルを選択できるようにします。
複合リファレンスソース: 特定の場合、特に精度が重要なアプリケーションでは、非常に高い安定性や精度を達成するためにリファレンスソースの融合が展開される場合があります。
結論として、リファレンス回路はADCの機能性と精度に不可欠です。ADCのデジタル出力が、変換のための一貫した正確なベンチマークを提供することにより、さまざまな状況下でアナログ入力を正しく表すことを保証します。特定のADCアプリケーションに適したリファレンスを選択または構築するためには、多くの種類のリファレンス回路とその特徴を理解することが重要です。
電圧リファレンス
特にアナログ・デジタルコンバータ (ADC) では、電圧リファレンスは、他の電圧を測定または比較するベンチマークとして機能する安定した電圧レベルを確立するために不可欠です。電圧リファレンスにはさまざまな種類があり、それぞれに独自の品質があります。このパートでは、ドリフト、ノイズ、バンドギャップ、ツェナーリファレンスなどのパフォーマンス測定基準を検証します。
バンドギャップリファレンス
バンドギャップリファレンス回路は、さまざまな環境条件の下で安定した電圧を生成することを目的としています。これを達成するために、温度に関して正と負の2つの電圧が生成され、それぞれの効果が相殺される方法で結合されます。
動作: バンドギャップリファレンスは、安定した基準電圧を作り出すために、絶対温度 (PTAT) 電圧に比例するダイオードの電圧の温度関連の挙動を利用します。PTAT電圧は温度とともに増加し、ダイオード電圧は減少します。この2つの効果を精密に組み合わせることで、温度変化の影響をほとんど受けない電圧が生成されます。ここにバンドギャップリファレンスがどのように動作するかの詳細な説明があります。
前述したように、バンドギャップリファレンスの目的は、理想的には温度の変化や外部の影響によって変動しない一貫した電圧を生成することです。ただし、周囲温度は回路内のさまざまな部品の特性に影響を与える可能性があることに注意しましょう。例えば、BJTトランジスタのベースエミッタ電圧は絶対温度に対して直線的に変化し、約-2mV/°Cの温度係数を持っています。
優れたデバイスを利用できない場合は、温度による変動を相殺する方法を見つける必要があります。例えば、絶対温度に直結し、2mV/°Cの正の温度係数を持つ電圧を生成することができれば、ベースエミッタ接合によって引き起こされる変動を打ち消すことができるかもしれません。
2mV/°Cの温度係数を達成するための1つのアプローチは、次の式で記述される熱電圧 (VT) 絶対温度と線形関係を形成することを認識することです。
$$V_T=\frac{kT}{q}$$ここで、kはボルツマン定数、qは単一電子によって運ばれる電荷、Tはケルビン単位の温度を表します。熱電圧の温度係数はk/q (約+0.085mV/°C) であり、これは正の値ですが、希望の2mV/°Cの値には達しません。この問題に対処するために、温度に敏感でない定数M∙k/qを用いて熱電圧を拡大することができます。この調整は、M∙k/qがおおよそ2 mV/°Cに等しくなるようにするために行われます。バンドギャップリファレンスの中核であるこの基本概念を下図1に示します。「ジェネレータ」ブロックは熱電圧を生成します。このブロックからの出力にMとして表される適切な係数を掛け、次にBJTのベースエミッタ電圧と結合します。理想的な状況では、最終出力は温度変化の影響を受けないままです。
図1 : バンドギャップリファレンス回路の例
アプリケーション: バンドギャップ参照は、特に変動する温度条件にわたって信頼性の高い動作が必要な状況で、ADC、DAC、および電源回路で広く使用されています。
ツェナーリファレンス
ツェナー電圧を超えて逆バイアスされた場合、ツェナーダイオードはそれ自体を横切る一定の電圧を維持する能力を持っています。これがツェナーリファレンスの働き方です。
動作: ツェナー電圧は、逆バイアスのツェナーダイオードが伝導を開始する電圧です。この値は、ツェナーダイオードを流れる電流の変動にもかかわらず本質的に一定であるため、電圧リファレンスとして役に立ちます。
アプリケーション: ツェナーリファレンスは、シャントレギュレータやADCなど、簡単で手頃な電圧リファレンスが必要なあらゆる状況で使用されます。しかし、それらの温度安定性はバンドギャップリファレンスの温度安定性より劣ることがよくあります。
パフォーマンスパラメータ
電圧ドリフト: これは、周囲温度の変化によるリファレンス回路の出力電圧の変化を指します。変化する温度環境全体で精度を維持するには、ドリフトを最小限に抑えることが望まれます。一般に、バンドギャップリファレンスはツェナー4リァレンスと比較して低いドリフトを示します。
ノイズ: リファレンス電圧内のノイズはADC変換の精度に直接影響するため、重要です。高い精度を必要とするアプリケーションでは、ノイズを最小限に抑えることが不可欠です。フィルタリングや低ノイズ成分の利用などの方法は、ノイズを低減するために一般的に使用されます。
ロードレギュレーション: 負荷電流の変動にもかかわらず安定した出力電圧を維持するリファレンス回路の能力は、ロードレギュレーションとして知られています。有効なロードレギュレーションにより、基準電圧が変化する負荷条件でも安定していることが保証されます。
長期的な安定性: このパラメータは、長期間にわたって精度を維持するためのリファレンスの能力を反映します。老朽化やストレスなどの要因が長期安定性に影響を与える可能性があります。
電源電圧変動除去比 (PSRR): PSRRは、リファレンスが電源電圧の変動をどれだけ効率的に除去するかを測定します。高いPSRRは、電源に変動があっても出力が安定していることを意味します。
結論として、適切な電圧リファレンスを慎重に選択することは、ADCや他のアナログ回路の精度と信頼性を確保する上で極めて重要な要素です。バンドギャップリファレンスは一般的に温度安定性が第一の関心事であるときに好まれますが、ツェナーリファレンスはより単純でコストを意識したアプリケーションに適しているかもしれません。ドリフト、ノイズ、ロードレギュレーションなどの性能パラメータの詳細な理解と最適化は、堅牢で正確なアナログシステムの設計に不可欠な要素です。
電流リファレンス
電流リファレンスは、様々な電子アプリケーションにおいて電圧リファレンスと同等の重要性を持っています。電流リファレンスは、安定した電圧を供給する代わりに、電圧供給や負荷条件の変化に関係なく、一貫した電流を供給します。このセクションでは、現在のリファレンスの基本原理と機能を探り、アナログ・デジタルコンバータ (ADC) におけるそれらの役割について掘り下げます。
基本的な概念と動作
一貫した出力電流を生成する回路は電流リファレンスです。電源電圧、温度、負荷条件の正常な変動は、この定常電流に影響を与えません。
動作原理: 電流リファレンスは頻繁にアクティブなトランジスタの特性を利用します。抵抗の両端の電圧を一定に保つために、バンドギャップ電圧リファレンスを使用する代表的な手法があります。オームの法則によれば、既知の抵抗に一定の電圧を印加すると、一定電流が生じます。カレントミラー配置は、基準電流をコピーすることによって安定した出力電流を作り出すもう1つの戦略です。
ワイドラー電流源: 基本的なカレントミラーのバリエーションであるワイドラー電流源は、許容可能な電力消費と部品サイズで低基準電流を生成する手段を提供します。これは、電流ミラーにエミッタ抵抗を追加し、回路が特定の基準に対してより低い電流を生成できるようにすることで達成されます。
図2に示すワイドラー電流源では、R2と表記される抵抗がトランジスタQ2のエミッタと直列に配置されています。トランジスタQ1とQ2はR2≠0のとき異なるベースエミッタ電圧で動作します。次に、ワイルダー電流源の出力電流を計算します。
図2 : ワイドラー電流源
IIN > 0の場合、Q1はダイオード接続の結果として順方向アクティブ領域で機能します。Q2は前方アクティブ領域でも機能していると仮定します。ベースエミッタループ周辺のキルヒホフの電圧法則は次のようになります。
$$V_{BE1} - V_{BE2} - \frac{\beta_F + 1}{\beta_F} \cdot I_{OUT} \cdot R_2 = 0$$ここで、βFは順方向電流ゲインです。
VBE1 = VBE2 = VBE(on)と仮定すると、IOUT= 0になります。それにもかかわらず、IOUTは通常、実用的な応用では小さいですが、通常のバイアス条件では0より大きいことは注目に値します。これは ここでVBE(on)に関する標準的な仮定を無効にします。逆に、 VCC >> VBE1の場合、VBE1の小さな変動はIINにほとんど影響しないため、IINを計算するときに標準的な仮定が真になることがよくあります。 しかし、あるベースエミッタ電圧を別のベースエミッタ電圧からし引くと、わずかな差でさえも大きくなります。アーリー電圧VA → ∞の場合、上記の方程式は次のように書き換えることができます。
$$V_T \ln{\frac{I_{C1}}{I_{S1}}} - V_T \ln{\frac{I_{OUT}}{I_{S2}}} - \frac{\beta_F + 1}{\beta_F} \cdot I_{OUT} \cdot R_2 = 0$$ここで、VT = KT/qは熱電圧、IS1とIS2はトランジスタの飽和電流です。
βF → ∞ の場合 :
$$V_T \ln{\frac{I_{IN}}{I_{S1}}} - V_T \ln{\frac{I_{OUT}}{I_{S2}}} - I_{OUT} \cdot R_2 = 0$$同一トランジスタでは、IS1とIS2は 等しく、最後の方程式は以下のようになります。
$$V_T \ln{\frac{I_{IN}}{I_{OUT}}} = I_{OUT} \cdot R_2$$この複雑な方程式は、代表的な解析問題でよく見られるように、R2とIINが既知の場合にIOUTの値を求めるために試行錯誤的な方法で解くことができます。対数関数は入力の変化を圧縮する傾向があるので、最後の方程式内の線形項に焦点を当てることができ、試行錯誤の過程で収束を達成することが容易になります。しかし、設計問題では、希望のIINとIOUTは通常知られているので、R2の要求される値を 計算することができます。
ADCでのアプリケーション
バイアス回路: ADCの領域では、電流リファレンスはバイアス回路部品に頻繁に適用されます。安定したバイアス電流を維持することは、さまざまな条件にわたってADCの線形性と精度を維持するために不可欠です。
電流ステアリングDAC: 逐次近似ADCのような一部のADCトポロジーでは、デジタル・アナログコンバータ (DAC) が動作に組み込まれています。電流ステアリングDACでは、正確な電流が生成され、様々なチャンネル間でシフトされてアナログ出力が生成されます。
電荷再分配: パイプラインADCのような特定のADCアーキテクチャでは正確な電流が必要であり、これはコンデンサを特定の値に充電または放電するためです。優れた分解能と精度を達成するためには、これが不可欠です。
コンパレータ用のリファレンス生成: コンパレータのリファレンスの生成は、リファレンスに対する入力信号の大きさを測定するためにADCで一般的に行われます。抵抗器を使用することにより、安定した電流リファレンスを安定した電圧リファレンスに変換することができ、それをコンパレータが使用します。
リファレンスバッファ
リファレンス回路において、リファレンスバッファは重要な構成要素であり、特にリファレンス源を負荷の変化から遮蔽する必要がある場合や、負荷に十分な電流を与えることができない場合に重要です。このセクションでは、リファレンスバッファの機能と使用方法、およびADCやその他の電子システムでの有効性を保証する重要な設計要素について説明します。
目的と動作
目的: リファレンスバッファは、リファレンス電圧または電流源を負荷から分離するという基本的な機能を果たします。バンドギャップリファレンスのようなリファレンスソースはしばしば限られた電流ソース能力を持ち、負荷の変動の影響を受けやすいため、この分離は最も重要です。バッファは、リファレンス源に負荷をかけずに必要な駆動力を負荷に供給することにより、リファレンス源がその精度と安定性を保持するために重要な役割を果たします。
動作: リファレンスバッファの動作は、リファレンスソースからの電流または電圧を増幅することを含み、通常ゲインは1です。これは、出力電圧が入力電圧と一致していますが、より大きな電流を供給する能力があることを意味します。リファレンスバッファは、電圧リファレンス用の電圧フォロワとして設定されたオペアンプを使用するか、電流リファレンス用の電流バッファ設定のトランジスタを介して実現できます。
設計上の考慮事項
入出力インピーダス: リファレンスバッファの入力インピーダンスは、リファレンスソースが過負荷にならないように高く、出力インピーダンスは負荷に強力な駆動能力を与えるために低くなければなりません。
帯域幅: バッファの帯域幅は、位相シフトや遅延が多すぎることなく負荷電流需要の変化に対応できるように十分に大きくなければなりません。タイミングと速度が不可欠なADCアプリケーションでは、これは非常に重要です。
電源電圧変動除去比 (PSRR): バッファの電源電圧の変化を拒絶する能力は、電源電圧変動除去比、またはPSRRと呼ばれる測定基準によって測定され ます。電源ノイズがリファレンスにカップリングするのを防ぐために、高いPSRRが望まれます。
温度の安定性: リファレンスへの誤差の導入を防ぐために、バッファが温度変化に伴って最小のドリフトを示すことが重要です。これは通常、部品の慎重な選択と戦略的なレイアウト技術によって達成されます。
セトリング時間: アナログ・デジタルコンバータ (ADC) を含むアプリケーションでは、サンプリング要件に準拠するために、リファレンスバッファが指定された時間枠内に安定した状態に到達する必要があります。セトリング時間を短縮することは、ADCの性能を最適化するために重要です。
ノイズ: バッファによって導入されるノイズのレベルを最小化することは、リファレンスの精度に直接影響するため、不可欠です。低雑音オペアンプを採用し、細心のプリント基板 (PCB) レイアウトを実装することは、ノイズ関連の問題を軽減する上で有益です。
リファレンスの精度と安定性
基準回路の精度と安定性は、アナログ・デジタルコンバータ (ADC) やその他の精密電子機器の全体的な性能にとって重要です。ここでは、リファレンス回路の正確性に及ぼす潜在的な影響を検討し議論します。
精度に影響を与える要因
温度ドリフト: リファレンス回路は、温度変化に応じてしばしば出力変動を示します。この温度による不安定性は、特に広い温度スペクトルを含むアプリケーションでは、重大な不正確さを引き起こす可能性があります。
ロードレギュレーション: 負荷電流の変化は、基準回路の出力電圧に影響を与える可能性があります。効果的なロードレギュレーションの維持は、変動する負荷条件に遭遇したときの精度を維持するために不可欠です。
供給電圧の変動: 供給電圧の振動は、リファレンス回路の出力の調整を引き起こす可能性があります。電源除去比 (PSRR) は、基準回路が電源電圧の変動をいかに巧みに打ち消すことができるかを評価するための重要な指標です。
ノイズ: リファレンス回路は本質的に一定のノイズを発生させます。このノイズは、熱の影響によって内部から発生したり、外部から発生したりすることがあります。このようなノイズは、基準電圧または電流出力の不正確さに寄与します。
長期的な老朽化: 時間の経過とともに、基準回路内の部品が摩耗または劣化する場合があります。この老朽化現象は、リファレンス出力のドリフトを引き起こす可能性があります。
初期精度: 製造業者によって定義されるリファレンス回路の固有の精度は、製造公差から生じる誤差を含みます。
安定性を向上させるためのテクニック
温度補正: 相補的な温度係数を持つ部品の利用のような技術を実装でき、温度によって誘発されるドリフトの影響に対抗します。
フィードバック制御: フィードバック制御機構の採用は、負荷または供給電圧の変動に直面しても、一貫した出力電圧または電流を維持するのに役立ちます。
フィルタリングとデカップリング: フィルタとデカップリングコンデンサを使用してノイズを低減することができます。高周波ノイズはローパスフィルタを使用して効果的に除去することができます。
精密部品の使用: 低温係数を持つ精密なコンデンサや抵抗器などの部品は、リファレンス回路の長期的な精度と安定性を向上させることができます。
較正: リファレンス回路の定期的な較正は、長期ドリフトのような精度に影響を与える問題に対処するのに役立ちます。ソフトウェアベースの較正のための技術がこの中に含まれるかもしれません。
バッファリング: リファレンスソースを負荷の変動から分離することで、バッファ (前のセクションで説明したように) 負荷レギュレーションを支援することができます。
高PSRRでバンドギャップまたはツェナーリファレンスの使用: 電源電圧変動除去比の高いリファレンスソースを選択することにより、電源電圧の変動を可能な限り低減します。
結論として、ADCやその他の精密システムの性能は、基準回路の精度と安定性に決定的に依存します。リファレンス回路は、精度に影響を与える側面を理解し、安定性を向上させるアプローチを利用することにより、高精度アプリケーションで必要とされる信頼性の高い一定の性能を提供することができます。
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