7.5桁の測定分解能を達成するための適切な部品の選定

計測器設計者は、デジタルマルチメータ（DMM）、重量計、地震記録計などの高性能データ収集システムにおいて7.5桁の分解能を達成するという課題に直面しています。6.5桁までの分解能を持つ計測器にはマルチスロープ型A/Dコンバータ（ADC）が使用されていますが、複数の部品仕様の制限や実装上の課題により、より高分解能の設計は困難です。

本記事では、高精度アナログ部品の仕様上の制約が、計測器で達成可能な分解能にどのように影響するかを検証します。続いて、Analog Devicesの逐次比較型レジスタ（SAR）ADC、高精度電圧リファレンス、整合抵抗ネットワーク、ゼロドリフト低ノイズアンプ（LNA）を慎重に選択することで、7.5桁の分解能を達成できる方法を示します。

デジタイザフロントエンドの概要

DMMなどの精密デジタル計測器は、アナログ電圧をデジタル値に変換するフロントエンドを採用しています。フロントエンドの中核となるのはADCです（図1）。ほとんどのADCは入力電圧範囲が固定されているため、入力信号はそれに合わせて増幅または減衰させる必要があります。これにはアンプと抵抗式減衰器が必要となります。SAR ADCを利用する場合、高精度電圧リファレンス源も必要となります。システム全体の精度を最大化するためには、低ノイズ、低DCドリフト、安定したゲインを考慮して、これらの部品をすべて選択する必要があります。

図1：高精度計測器向けのデジタルフロントエンドのブロック図を示します。その中核はADCです。（画像提供：ADI）

適切なADCの選定

ADCを選択する最初のステップは、必要な電圧分解能を決定することです。DMMなどの計測器では、通常、桁数で指定されます。一般的な卓上型DMMの分解能は6.5桁です。これは、6つの10進桁（0から9）に加えて、0または1の値を持つ半桁があることを意味します。非スケールの表示範囲は+1,999,999～-1,999,999カウントまで及び、総計は一般的に4,000,000カウントの分解能として一般的に知られています。

2進法デバイスのカウント値は、単純に2のビット数乗となります。桁数とビット数は互いにプロットすることは可能ですが（図2）、それらが互いの整数倍として一致することはありません。

図2：整数のビット数と表示桁数の両方について計算した、桁数とビット数の関係を示すプロットです。（画像提供：Art Pini氏）

これらの計算に共通する要素は、デバイスが表す離散値のカウント、すなわち数値です。特定の数値（カウント値）に対する桁数は単純にlog₁₀(カウント値)です。特定のカウント値に対する等価なビット数はlog₁₀(カウント値)/log₁₀(2)または桁数/log₁₀(2)となります。したがって、カウント値4,000,000は21.932ビットに相当します。

分解能と精度について

桁数とビット数の両方は、計測器の電圧分解能を意味します。10ボルトレンジの6.5桁DMMは、-10Vから+10Vまでの電圧を4,000,000カウントで測定できます。つまりこれは、各ステップが5μVであることを意味します。ただしこれは、計測器の分解能であり、測定値の精度ではありません。精度とは、測定値が真の値にどれだけ近いかを測るものです。測定精度には、ノイズ、オフセット誤差、ゲイン誤差、非線形性など、多くの要因が影響します。これらの不確かさの原因はすべて、計測器のフロントエンド部品にあります。

一般的な7.5桁DMMが10Vレンジで使用される場合、24時間における測定値の精度は、おおむね測定値の100万分の8（ppm）となります。これに加え、選択したレンジに対する不確かさの2ppmが加わります（8+2（ppm））。1年間にわたる定格の長期精度は±（16+2）ppmとなります。ADCの直線性は1.5ppmの範囲にある必要があり、温度誤差は1°Cあたり5±1ppm（ppm/°C）という低い値でなければなりません。

このレベルの精度を達成するには、要求される部品の短期的および長期的な誤差要因を理解する必要があります。

高精度デジタルフロントエンド向けADC

図1は典型的なデジタルフロントエンドを示しています。高分解能と中程度の速度を提供する24ビットSAR ADCを採用しています。SAR ADCは入力信号をコンパレータに入力します。コンパレータのもう一方の入力には、SARによって駆動されるD/Aコンバータ（DAC）からの推定電圧が入力されます。レジスタはADCのビット数と同じ数のステージを有しています。まず、ADCの電圧範囲の2分の1の値で推定電圧を生成することから始まります。コンパレータは、入力が基準ベースの推定電圧より高いか低いかを示します。推定値が入力より低い場合、レジスタビットに「1」が格納されます。そうでない場合は「0」が格納されます。

レジスタはその状態を順次進め、推定電圧を2進ステップで低下させていきます。推定電圧が入力信号に可能な限り近づいた時点でプロセスは停止し、レジスタには入力電圧に等しいデジタルコードが格納されます。その後、ADCは変換完了信号を出力し、バイナリコードを読み取ります。

なおSAR ADCはそのDACを駆動するために精密かつ安定した電圧リファレンスが必要であることに注意してください。マルチレンジ計測器の場合、ADC入力がADCのフルスケール範囲を超えることなく、可能な限りその範囲に近づくよう、信号調整も必要となります。

Analog DevicesのAD4630-24BBCZ-RLは、7.5桁デジタルフロントエンドに適した選択肢です。このデュアルチャンネル24ビットSAR ADCは2メガサンプル/秒（MSPS）で動作し、シングルエンドまたは差動動作をサポートします。本ADCは5Vのリファレンス電圧を使用し、0.1ppm（最大0.9ppm）の標準的な直線性を有しています。プログラム可能なデシメーション比を備えたブロック平均化フィルタを搭載しており、ノイズを大幅に低減し、低出力レート時においてダイナミックレンジを153デシベル（dB）まで拡張することが可能です。ブロック平均化により、60ヘルツ（Hz）の出力データレートで98nV rmsの入力換算ノイズを実現し、フルスケール入力に対するノイズ制限有効分解能は7.7桁となります。

リファレンス電圧

SAR ADCは、入力電圧と電圧リファレンスから得られる電圧レベルとの比較に基づいて出力を生成するため、そのリファレンスの精度、安定性、ノイズレベルに大きく左右されます。安定性を確保するため、埋め込み型ツェナーリファレンス技術では、デバイスをシリコン基板の内部深くに形成することで、非常に安定した降伏電圧を実現しています。このアプローチにより、表面汚染からの隔離、熱影響の軽減、ストレスや湿度に対する影響が受けにくくなります。さらに内部ヒータを組み込むことでリファレンス電圧の安定性を高め、周囲温度変化の影響を最小限に抑えることが可能です。

図1で使用されている電圧リファレンスはADR1001AEZです（図3）。これはオーブン制御式の埋め込み型ツェナー高精度デバイスであり、ヒータ制御、リファレンス電圧源、出力バッファアンプ、および関連するすべての信号調整機能を1つのパッケージに統合しています。これにより設計プロセスが簡素化され、実装面積の削減が可能になります。

図3：ADR1001AEZ の機能ブロック図は、ヒータ制御（左）、リファレンス電圧源（中央）、出力バッファアンプ（右）を示しています。（画像提供：ADI）

ADR1001AEZ の公称出力電圧は6.6Vで、5V±0.25%に精密に調整され、定格出力電流は10mAです。オンチップヒータにより、温度係数は0.2ppm/°C以下を維持します。5V出力ノイズ（0.1～10Hz）はピークツーピーク（p-p）で0.13ppmであり、計算上0.65mV p-pとなります。

7.5桁分解能用アンプ

デジタルフロントエンドへの入力アンプは、整合抵抗ネットワークを使用して、入力信号をADCの指定入力電圧に適合するようにスケーリングします。必要な利得または減衰を提供するように設計されたこのアンプは、所望の7.5桁の分解能を達成するため、低電圧ドリフトと低ノイズが求められます。この用途には、チョッパー安定化型ADA4523-1が適しています。これは低ノイズ、ゼロドリフトのレールツーレールアンプであり、動作温度範囲は-40°C～+125°C、5V動作時におけるオフセット電圧は±4µV（最大）です。セルフキャリブレーション回路により低DCドリフトを実現し、温度によるオフセット電圧のドリフトは0.01μV/°C（μV/°C）以下に抑えられています。

ADA4523-1のコモンモード除去比は160dB（標準）で、ノイズレベルが0.1～10Hzで88nV p-p（標準）です（図4）。

図4：典型的なADA4523-1アンプの0.1Hz～10Hzにおけるノイズ波形を示しています。（画像提供：ADI）

整合抵抗ネットワークの選定

整合抵抗ネットワークとは、抵抗値、許容差、温度係数などの電気的特性を一致させた複数の抵抗器を単一パッケージに収めたものです。絶対的な抵抗値は重要ではありませんが、各抵抗値は精密に整合されており、広い温度範囲にわたって追従するため、抵抗比は一定に保たれます。

たとえば、LT5400BIMS8E-7（図5）は、2本の1.25kΩ抵抗と2本の5kΩ抵抗を含む4本の抵抗アレイで、4:1の比率と4倍のゲインを実現します。これらの抵抗器の公称抵抗値許容差は±15% ですが、抵抗比は±0.025%に整合されています 。共通のパッケージにより、4:1の抵抗比は温度に対して追従し、温度係数は±25ppm/°Cです。抵抗比の温度ドリフトは±0.2ppm/°Cです。

図5：LT5400-7を使用した4倍ゲインの差動アンプ（画像提供：ADI）

アンプのゲインはR1とR2、R4とR3の比率で決まるため、低温度ドリフトであることが重要です。抵抗の整合により、アンプの各半分のゲインが安定化され、両半分のゲインが一致することが保証されます。これにより、高いコモンモード除去比（CMRR）が維持されます。

まとめ

高性能データ収集システムにおいて7.5桁の分解能を達成することは計測器設計者にとって困難な課題となるかもしれませんが、適切な部品を使用することで効果的に実現することが可能です。このように、Analog DevicesのAD4630-24BBCZ-RL ADC、ADR1001AEZ高精度電圧リファレンス、ADA4523-1アンプ、LT5400BIMS8E-7整合抵抗ネットワークなど、高精度、低非線形、低オフセットドリフトの部品を使用することで、高性能フロントエンドの設計を簡素化することができます。