Circuit Note | CN0064 | D/AコンバータAD5662、デジタル・アイソレータADuM1401と外部アンプを使った、完全絶縁の16ビット、4mA-20mA出力モジュール回路

CN0064: D/AコンバータAD5662、デジタル・アイソレータADuM1401と外部アンプを使った、完全絶縁の16ビット、4mA-20mA出力モジュール回路

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回路の説明

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使用されている製品

アプリケーション:

フィールド機器／スマート・トランスミッタ
PLC/DCS

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設計支援用データ

接続オプション

This circuit supports 3rd party connectivity.

デバイスドライバ

Software, such as C code and/or FPGA code, used to communicate with a component's digital interface.

AD5446 IIO DAC Linux Driver (Wiki Site)

FPGA HDL

回路機能とその利点

この回路は工業用制御出力モジュールの完全なソリューションを提供します。これは、4mA-20mA電流出力範囲を必要とする、プロセス制御におけるプログラマブル・ロジック・コントローラ（PLC）と分散制御システム（DCS）に適した設計となっています。AD5662はnanoDAC®ファミリーの製品で、SOT-23パッケージの5V、16ビットD/Aコンバータです。ADuM1401は4チャンネルのデジタル・アイソレータで、マイクロコントローラとDAC間におけるすべての信号の絶縁を提供します。また、この回路は標準的な外部保護回路を含んでおり、IEC61000仕様に完全に準拠したテストと検証が行われています。

図1．16ビット絶縁4mA-20mA工業用制御出力モジュール回路
（この回路図は一部簡略化されている部分があります）

回路説明

工業用制御モジュールのアナログ出力電流範囲は、通常4mA-20mA、または0mA-20mAです。AD5662は0V～5V出力を提供し、この出力はセンス抵抗RSを流れる電流、すなわち、R1を流れる電流を設定します。この電流は、オペアンプAD822（デュアル）のひとつを使ってR2にミラー（10倍）されます。AD822アンプは、その高性能と高い電圧動作として選ばれています。電流ミラーの最初の段は、DAC動作がゼロ・スケール出力のときデッドバンド（不感帯）ができないように、0V入力で動作できる必要があります。これはAD822の負側電源電圧は、初段のAD822の出力でのヘッドルームを考慮して、少なくとも-1Vを必要とします。2段目の、正側電源と直列に置かれた2つのダイオードは、2段目の出力電圧がAD822の正側レール電圧、35Vもの高い電圧まで可能、に到達しないことを確実にしています。 FETの出力もまた、直列ダイオードによって保護されています。この直列ダイオードは、いくつかのアプリケーションでは重要となる場合もありますが、回路での消費電力を増加させることがあります。

ADR02は9ppm/℃（max）のドリフト仕様を備えています。このリファレンスは、36Vもの高い入力電圧範囲を備えていることから、工業用アプリケーションでよく使われます。 ADuM11401は、アナログ・デバイセズのiCoupler®技術に基づく、4チャンネルのデジタル・アイソレータです。これはAD5662とシステム側のマイクロコントローラ間を、2.5kVrmsの絶縁定格で絶縁するために使われています。3本の線がAD5662に標準SPIインターフェース（SYNC、SCLKとDIN）として使われています。

図2．24mAフルスケール出力範囲でのINL精度のプロット曲線

図2は、AD5662と外部リファレンスADR02を使ったときの、RLに流れる出力電流の出力誤差のプロット（積分非直線性）を示しています。結果は、入力コードの関数として%FSR（フルスケール範囲）で示されています。ADR02を、この回路のリファレンスとして選びました。この設計では、外部保護（標準的な保護ダイオードやTVS素子など）を含んでおり、表1に示したIEC61000規格でのテストを満たしました。外部保護の技法についてのより詳細な検討については、Colm Slattery, Derrick Hartmann, Li Ke著「PLC Evaluation Board Simplifies Design of Industrial Process Control Systems」Analog Dialogue　Vol.43　No.04、2009月4月号を参照してください。

表1.　IEC仕様の結果

テスト事項	説明	結果
EN & IEC 61000-4-2	静電放電 (ESD) ±4 kV VCD	CH3での最大偏差 0.32% クラス B
EN & IEC 61000-4-2	静電放電 (ESD) ±8 kV HCD	CH3での最大偏差 0.28% クラス B
EN & IEC 61000-4-3	放射耐性　80MHz～1GHz　10V/m 垂直アンテナ両極	CH1での最大偏差 0.09%、CH3で0.30%クラス B
	放射耐性　80MHz～1GHz　10V/m 水平アンテナ両極	CH1での最大偏差 –0.04%、CH3で0.22% クラス B
	放射耐性　1.4 GHz～2 GHz　3 V/m 垂直アンテナ両極	CH1での最大偏差 0.01%、CH3で　-0.09% クラス B
	放射耐性　1.4 GHz～2 GHz　3 V/m 水平アンテナ両極	CH1での最大偏差 0.01%、CH3で　0.09% クラス B
EN & IEC 61000-4-4	電気的高速トランジエント（EFT）　±2kV パワーポート	CH3での最大偏差 –0.12% クラス B
EN & IEC 61000-4-4	電気的高速トランジエント（EFT）　±1 kV 信号ポート	CH3での最大偏差 –0.02% クラス A
EN & IEC 61000-4-5	電力線サージ、±0.5kV	ボードと部品でのダメージ無し、クラス　Bをパス
EN & IEC 61000-4-6	パワー・コードでの導通耐性テスト 10V/m　5分間	CH3での最大偏差 0.09% クラス B
EN & IEC 61000-4-6	I/Oケーブルでの導通耐性テスト 10V/m　5分間	CH3での最大偏差 –0.93% クラス B
EN & IEC 61000-4-8	磁気耐性、水平アンテナ両極	CH3での最大偏差 –0.01% クラス A
EN & IEC 61000-4-8	磁気耐性、垂直アンテナ両極	CH3での最大偏差 –0.02% クラス A

この回路に使用されている製品＆サンプル:

製品	概要	サンプルが入手可能な製品
AD5662	16ビットnanoDAC®コンバータ、SOT-23パッケージ、2.7～5.5V	AD5662ARJZ-1500RL7 AD5662BRJZ-2500RL7 AD5662BRJZ-1500RL7 AD5662BRMZ-1 AD5662ARMZ-1 AD5662BRJZ-1REEL7
AD822	オペアンプ、デュアル、FET入力、単電源、レールtoレール入 / 出力	To obtain samples of this part, please contact ADI
ADR02	5.0V電圧リファレンス、バンドギャップ型、超小型、高精度、高安定、低消費電力	ADR02AUJZ-REEL7 ADR02AKSZ-REEL7 ADR02ARZ
ADUM1401	4チャンネル・デジタル・アイソレータ、低消費電力、双方向通信	ADUM1401WTRWZ ADUM1401CRW ADUM1401ARWZ ADUM1401WSRWZ ADUM1401CRWZ ADUM1401BRWZ