設計の説明

オシロスコープ (DSO) やデータ収集 (DAQ) などの信号測定機器では、測定に使用するアナログ / デジタル コンバータ (ADC) の入力範囲外の入力信号を処理する必要があります。未知の入力信号を ADC の測定範囲内に変換するため、最初に必要な操作はオフセット制御です。プログラム可能で、正と負の両方のオフセットを提供できるオフセット制御回路は、この機能を果たすことができます。この回路は、高精度のデジタル / アナログ コンバータ (DAC) と、それに続くオペアンプによるユニポーラからバイポーラへの変換回路を使用します。この回路の出力は、DC 出力を入力信号に加算する加算増幅器への入力結果となります。

デザイン ノート

1. 必要な分解能と出力範囲を持つ DAC を選択します。
2. 誤差を最小化するため、オフセットとドリフト係数の小さいオペアンプを選択します。一部のアプリケーションでは、熱ノイズが追加要件になる場合もあります。
3. 目的の出力オフセットが満たされるように R_G1、R_G2、R_FB を選択します。
4. 補償コンデンサ C_FB には、オペアンプ入力の入力容量より大きなものを選択します。

設計手順

1. DAC80504 デバイスを選択します。これは 16 ビット、4 チャネルのバッファ付き電圧出力 DAC で、2.5V の基準電圧が内蔵されています。このアプリケーションでは基準電圧を使用してオフセットを生成するため、外部基準電圧オプションを持つデバイス、またはアクセス（外部出力）可能な内部基準電圧を持つデバイスが適しています。この設計では、主に DC 誤差の寄与 (通常、オフセット誤差、ゲイン誤差、および統合非直線性 (INL) 誤差と表記されます) に基づいて DAC を選択します。
2. OPA227 オペアンプのような、低ノイズ、広帯域幅、高精度を兼ね備えたオペアンプが、AC と高精度 DC の両方の性能を必要とするアプリケーションのための最適な選択肢です。アンプの入力オフセット電圧 (V_OS) は、この設計の主要な考慮事項です。オペアンプの V_OS は、一般的なデータシートの仕様ですが、回路内での実際の性能は、ドリフト過熱、同相除去比 (CMRR)、電源除去比 (PSRR) にも影響を受けるため、これらのパラメータも同様に考慮します。
3. オフセット電圧の DC 伝達関数は、次の式で与えられます。
   
   • まず、前の伝達関数を使用し、負のフルスケール出力ケースとして、V_DAC が 0V、V_REF が 2.5V、V_OFFSET が -5V のときを考慮します。このケースを使用し、次の式で R_FB と R_G2 の比を計算します。
     

     この式から、R_FB = 2×R_G2 が得られます。

   • 次に、正のフルスケール出力ケースとして、V_DAC が 2.5V、V_REF が 2.5V、V_OFFSET が 5V のときを考慮します。このケースを使用し、次の式で R_FB と R_G1 の比を計算します。
     

     この結果から、R_G1 = R_FB です。

   • 最後に、R_G2 の値を選択し、R_FB と R_G1 の理想値を計算します。R_G2 の値を設定するための主要な考慮事項は、基準電圧源の駆動能力と、抵抗ネットワークのノイズ寄与分を最小化するため値の小さな抵抗を選択することです。この設計では、R_G2 に 8kΩ を選択しています。これにより、公称条件で基準電圧源から流れるピーク電流が約 312µA に制限されます。312µA という値は、DAC80504 デバイスの制限値 5mA を十分に下回っています。前の式に R_G2 の値を代入し、R_G1 と R_FB を計算すると、R_G1 = R_FB = 16kΩ が得られます。

4. 一般に、補償コンデンサ C_FB の値は決まった式では設定されず、出力の小信号ステップ応答を観察しながら適切な値を選択する必要があります。この例では、シミュレーションから C_FB ≥ 22pF を選択します。

設計に使用しているデバイスと代替部品