近年、多数の高分解能の高精度D/Aコンバータ(DAC)製品が、産業用テスト・計測機器に採用されるようになりました。設計者は総システム・コストを削減するため、しばしば、低分解能を余儀なくされることがあります。本稿では、まず1個の16ビットD/Aコンバータと2個のオペアンプを使って18ビットD/Aコンバータを構成する手法について解説し、その後、18ビット精度の出力が得られる2種類の回路トポロジを解析します。その1つは1チャネルの16ビットD/Aコンバータを、もう1つは4チャネルの16ビットD/Aコンバータを使います。最後に、両方のトポロジの一般的な動作理論について検証します。最後に、A/Dコンバータを統合したマイコンを活用することで、市場に供給されている最も高精度の18ビットD/Aコンバータの半分の価格で、低いDNL(微分非直線性)を可能にするとともに、伝達関数全体で単一増加性を保証するアルゴリズムについて説明します。

コンセプト

このデザインに関するハイレベルなアイデアは、4個の16ビットD/Aコンバータの出力を加算することで18ビット出力を発生できるという事実に由来しています。図1のブロック図で、理想的な伝達関数について検証してみましょう。

図1:(a)D/Aコンバータの出力を加算するブロック図、(b)理想的な18ビットD/Aコンバータの伝達関数

それぞれの16ビットD/Aコンバータの出力範囲が0～2.5 Vの場合、D/AコンバータAは0～2.5 Vの範囲で出力電圧を制御できます。D/AコンバータAがフルスケール電圧の2.5Vを出力しているとき、D/AコンバータBが0～2.5Vの出力電圧をサミング・アンプの入力に加えることができれば、サミング・アンプの出力は2.5V～5Vになります。この動作をD/AコンバータCとD/AコンバータDで行えば、出力範囲はそれぞれ5V～7.5Vと7.5V～10Vになります。実際には、各D/Aコンバータはゼロ・コード誤差やフルスケール誤差を持ち、図2に示すように、これらの誤差が伝達関数の全体に影響を与えます。この状態で、比較的簡単な較正によって、各D/Aコンバータの出力電圧範囲のつなぎ目での、ゼロ・コード誤差とフルスケール誤差非直線性を排除できます。

図2:この18ビットD/Aコンバータの伝達関数のゼロ・コード誤差とフルスケール誤差