衛星システムの信号パス内のコンポーネントを選択する場合、必要な放射線耐性と精度を備えたデバイスを見つけるのが難しいことがよくあります。結局のところ、アナログ信号チェーンを設計する際の重要な仕様は信号の整合性です。
信号チェーンの整合性に対するエラーの主な原因は、ノイズによる不正確さと電圧のシフトによる不正確さの2つのカテゴリに分けられます。信号パス内のすべてのコンポーネントを考慮することが重要ですが、高精度のパフォーマンスを実現するには、電圧リファレンスという1つのコンポーネントが最も重要です。
VPG Foil Resistors のこの記事を読んで、アナログ領域からデジタル領域に信号を変換する際に、フィルターを正しく使用し、測定値を平均化することで、システム内のノイズをどのように低減できるかを学んでください。
ノイズ
システム内のノイズは、アナログ領域からデジタル領域に信号を変換するときに、フィルターを正しく使用し、測定値を平均化することで低減できます。ただし、フィルターが大きく複雑な場合は、基板スペースと部品数の増加が必要になり、重量も増加するため、コストが高くなります。フィルターが大きいと、過渡応答の安定時間も長くなります。平均化により、サンプル頻度を犠牲にして余分なコンポーネントのコストを節約できます。平均化の利点を活用するには、デジタル-アナログ コンバーターで測定対象の信号よりもノイズの少ない電圧リファレンスが必要です。たとえば、20ビット システムでは、電圧リファレンスのノイズが1 ppm (百万分の1) 未満である必要があります。システムが電圧リファレンスで提供できる精度よりも高い精度を必要とする場合は、平均化を使用することもできますが、複数のアナログ/デジタル コンバータが必要になるため、非常にコストがかかります。各コンバータには独自の電圧基準があり、各コンバータからの測定値が平均化されます。
電圧基準が放射線にさらされると、ノイズが増加します。ノイズの増加は大きくありませんが、上記の解決策により、増加はさらに低く抑えられます。また、ポップコーン ノイズの発生源は、ダイ上の1つの場所にのみまばらに存在する可能性があり、ゲイン11は得られません。ポップコーン ノイズが見つかったとしても、従来のバンドギャップ リファレンスよりも1桁小さくなります。
電圧シフト
システム内の電圧シフトは、かなり単純な追加回路で軽減できますが、全温度範囲にわたって調整を行うのは困難を伴います。追加回路のコストも高くなります。さらに、オフセット電圧は検出された場合にのみ修正できるため、システムの残りの部分のベースとして使用できるほど正確な固定電圧が必要になります。ここでも、システムの重要なコンポーネントは電圧リファレンスです。これは、アンプ用の共通モードを設定し、コンパレータをトリガーするために使用でき、敏感なセンサーに安定した電源を供給するために使用できます。最も重要なのは、アナログからデジタルへのコンバーターとデジタルからアナログへのコンバーターの精度を設定することです。
電圧リファレンスで考慮すべき重要な側面には、初期精度、温度によるドリフト、時間によるドリフト、放射線によるシフトなどがあります。多くの電圧リファレンスには、初期精度を調整するためのトリム オプションが用意されていますが、このプロセスには外部回路が必要であり、他の仕様に悪影響を与える可能性があります。はるかに簡単な方法は、デジタル側でエラーを調整することです。デジタル キャリブレーションにより、入力信号電圧範囲全体がエラーの量だけ減少することに注意してください。バンドギャップ基準は、放射前であれば100分の1パーセント以内の初期精度で検出できます。
高精度電圧リファレンスの温度ドリフトは、デバイスを構成する要素の不完全性によって発生し、線形ではありません。バンドギャップリファレンスの未補償曲線は約20ppmです。デバイスの温度係数を改善する1つの解決策は、トランスリニア回路を使用して、電流の合計に指数項を追加することで曲線を補正することです。曲線補正により、3ppm未満の温度係数を実現できます。
時間の経過によるドリフトは他のシフトとは無関係であり、主に基準の寿命の初めに発生します。したがって、初期キャリブレーションではこのドリフトを修正することはできません。最初のバーンイン期間後のキャリブレーションは、バーンイン時間を犠牲にするオプションです。また、バンドギャップリファレンスを作成するためのカスケード設計は、ノイズの低減に役立つだけでなく、長期ドリフトも低減することがわかっています。
最後に、放射線によるシフトは宇宙用途では重要です。多くの電圧基準は産業環境で優れた精度を提供しますが、放射線にさらされると大きな変化が生じます。高精度抵抗器は電圧リファレンスの重要なコンポーネントの1つです。
以下は、このようなアプリケーション向けの非常に安定した高精度抵抗器に対する顧客要件の例です。
図1. VPGフォイル抵抗器を使用した超高精度電圧分割器ペアの顧客例
電気仕様
- • R1 = 20KΩ、R2 = 10KΩ、R3 = 20KΩ、R4 = 10KΩ
- • 絶対許容差: 各0.01%
- • 比率マッチング許容範囲: R1からR2まで0.01%、R3からR4まで0.01%
- • 絶対TCR: ±2.0 ppm/°C (-55°C ～ +125°C、+25°C参照)
- • TCRトラック: R1からR2およびR3からR4: 0.8 PPM/°C
- • 定格電力: 70 °Cで0.2 W、抵抗素子R1およびR2全体に対して、2つの値に比例して分割されます。
高精度電圧分割器がどの程度「理想的」であるかは、次の4つの基本的な要素によって決まります。
- 1) 初期の絶対抵抗値、または絶対抵抗値にどれだけ近づけるか
- 2) 個々の抵抗器の値をどれだけ正確に制御できるか
- 3) さまざまな動作条件とストレス要因（温度、湿度、負荷、ESDなど）下で寿命許容度がどの程度正確に維持されるか
- 4) リンギングのない高速応答と高速熱安定化、および回路機能に悪影響を与えることなく急速なスイッチングに反応する抵抗器の能力
VPG Foil Resistorsのネットワークは、これら4つの要素を完璧に実現し、他のすべてのタイプのテクノロジーに固有のパラメータ間の妥協を排除した唯一のデバイスです。許容誤差、長期安定性、温度係数、電力係数、ESD、ノイズ、静電容量、インダクタンスなど、すべての重要な特性が最適化され、総合的な性能において理論上の理想に近づきます。
バルク メタル フォイル技術による認定抵抗器の概要については、弊社の AMSパンフレット® をご覧ください。