CN0180: 工業向けレベルの信号に対する、高精度・単電源・差動ADCのドライバ回路

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回路の説明

回路集(PDF版), 11/2010 (pdf, 388 kB)
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  • PLC/DCS
  • 電子試験&測定
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評価ボード
"Z"が付いている製品は、RoHS準拠品です。
この実用回路を評価するには、以下の評価ボードを用いて動作確認をすることをお薦めします。
  • AD8475-EVALZ ($ 20.98) AD8475 evaluation board used to evaluate this circuit. Please see "Circuit Evaluation & Test" section for set up information.
  • EVAL-CED1Z ($ 249.00)  
在庫確認&購入

回路の機能とその利点

標準的な工業用途のシングルエンド信号のレベルは、±5V、±10V、0V~+10Vで、最新の高精度16ビットまたは18ビット単電源のSAR型ADCの差動入力範囲と、直接の互換性を備えていません。適切なインターフェース・ドライブ回路には、アッテネータ機能、レベル・シフトの必要があり、それに加えて工業用信号を、ADCの入力要求にマッチするような、正しい振幅で正しいコモンモード電圧を持った、差動信号に変換する必要があります。適切なインターフェース回路は、抵抗ネットワークとデュアル・オペアンプを使って設計することができますが、抵抗器同士およびアンプ間のマッチングに起因する誤差が最終出力での誤差を招いてしまいます。必要な出力位相のマッチングやセトリング時間を達成することは、特に低消費レベルでは、問題となり得ます。

図1に示された回路はAD8475差動アンプを使っており、アッテネータ機能、レベル・シフトを行い、一切の外付け部品を使わずに差動信号への変換を行っています。ACおよびDCでの性能は、18ビット、1MSPSのPulSAR®シリーズAD7982・ADCや、このファミリの他の16ビットおよび18ビット製品で、最速サンプリング速度4MSPSを持ったADCに、互換となっています。

AD8475は、ゲイン設定用の高精度薄膜ゲイン抵抗を内蔵した、完全差動のアッテネーションアンプです。この製品は、高精度な減衰率(0.4倍または0.8倍)、コモンモード・レベルのシフト及び、入力過電圧保護を備えた、シングルエンド-差動変換、を提供します。消費電力は、単電源5Vでわずか15mWです。18ビット、1MSPSのAD7982はわずか7mWしか消費しませんので、競合製品のADCよりも1/30と低くなっています。この組み合わせでの合計の電力消費は、わずか22mWです。

図1.シングルエンド/差動変換ADCドライバ回路(簡易回路で:全ての接続およびデカップリングは示されていません。)

回路説明

AD8475アッテネーションアンプとAD7982、18ビット差動ADCは、単電源5Vを使って、工業プロセス用の比較的大きなレベルの信号に対して、高精度アナログ・フロントエンド・システムに使用することができます。 AD8475は、内蔵の高精度にトリミングされた抵抗器を介して達成される、0.4倍の係数によって、入力信号を減衰するように接続されています。単電源5Vで、25Vp-pもの大きな電圧を入力することができます。 差動のレールtoレール出力は、低い周波数では、わずか50mVのヘッドルームしか必要としません。AD8475は、真の差動入力によってドライブされることもありますが、シングルエンド入力によってドライブされることも可能で、図1に示すようにシングルエンド-差動の変換を提供します。

AD8475とADCの間のRCネットワークは、シングル・ポールのフィルタをで、不要なエリアシングの影響と高周波でのノイズを低減します。このフィルタのコモンモード帯域幅は29.5MHz(20Ω、270pF)で、差動の帯域幅は3.1MHz(40Ω、1.3nF)です。 AD7982は、18ビット、逐次比較(SAR)型A/Dコンバータで、単電源(VDD)で動作します。I/Oインターフェース電圧、VIO、は、1.8V~5V間の範囲を取ることができ、これはインターフェース・ロジック電源に依存します。AD7892は真の差動入力を備えており、最大±VREFまでの電圧を受け入れられます。ADR435は5V、低ノイズ(8μVp-p@0.1Hz~10Hz)、高精度(Bグレードで±2 mV)の電圧リファレンスで、AD7982へのREF電圧を提供すると共にAD8475差動ドライバの電源にもなっています。

ADR435の出力に接続された2つの10kΩ抵抗によって構成されている電圧デバイダは、AD8475出力の2.5Vコモンモード電圧(VOCM)を設定するために使われています。このように入力の差動信号を、最適なコモンモード入力電圧を中心にして置くことによって、ADCのダイナミックレンジを最大化します。

20Vp-pのシングルエンド入力信号は、差動の各出力上に、+0.5V~+4.5Vの振幅でお互いに180°の位相ずれを持った、信号を作り出します。

AD8475への20kHz、20Vp-pの入力信号は、96.3dBFSの最終SNRと-112.3dBFSのTHDという結果をもたらします、両者ともAD7982のフルスケール範囲と比較され、図2にFFTプロットを示しています。

FFTグラフの下の表に示された信号レベルは、AD7982への入力で測定された値です。このポイントでのフルスケール範囲は10Vp-pの差動です。これは、AD8475の入力に換算すると25Vp-pになります。入力のテスト信号は20Vp-pで、ADCのフルスケール入力よりも2dB低い信号での測定となります。

図2:フルスケールより2dB下回った、20kHz信号のFFTプロット(サンプリング周波数:1MSPS)

注)これらの条件下で、AD8475の出力での各振幅は供給電圧の500mV以内ですが、優れた歪性能を維持しています。これはレールtoレールの出力構造に所以しています。

この回路は、AD8475の評価用ボード ( EVAL-AD76xx-CBZ)と ADIのPulSAR( 高精度ADシリーズ)評価用ボードを接続し、そのソフトを使用してテストされています。EVAL-AD8475ZはAD8475の性能および機能を単独でテストし易くするための、顧客用評価ボードです。また、このボードは各種ADIのSARコンバータと共に、即座にテストできるようになっており、PulSAR評価用ボード(EVAL-AD76xx-CBZ)のアナログ入力コネクタに直接接続する、出力コネクタを備えています。ADCコンバータの評価と開発用ボード(EVAL-CED1Z)は、図3に示すようにUSBを介してPCにセットアップされます。

AD8475へ入力信号を提供するために、オーディオ・プレシジョン社(Audio Precision®)のAD2700信号源が使われました。PulSAR評価ソフト、LabVIEW®ベースのソフト、はオーディオ・プレシジョンの入力信号を制御するように使うことができ、同時にADCの入力および出力をモニタできます。

図3:SAR型ADCの評価プラットーホーム
注:AD8475差動アンプの評価用ボードは、PulSAR・ADC評価用ボードのSMBアナログ入力コネクタに接続されます。

バリエーション回路

この回路は、図に示された部品の値を使うことで、優れた安定性と高精度を提供します。最大限望ましい性能を達成するために、他のADIのA/DコンバータをAD7982に置き換えて使うことも出来ます。AD8475は、ほとんど性能劣化なしで、18ビット、4MSPSのADCまでドライブする能力を備えています。より高速サンプリング速度を備えた18ビットADCとして、AD7984(1.33MSPS)およびAD7986(2MSPS)があります。差動の16ビットADCとして、AD7688(500kSPS)およびAD7693 (500 kSPS)(500kSPS)があります。

AD8475はまた、シングルエンド入力または擬似差動入力を備えたADCを直接ドライブすることもできます。AD8475は、レールtoレール出力の特長を備えているため、特別なAC性能の劣化なく、各レールの0.5V以内であればドライブすることができます。

また、AD8475は0.8倍の入力をドライブする場合には、0.8倍の差動減衰率も提供することができます。供給電源電圧は広い範囲を持っており、単電源3V~10V間で使うことが可能です。また両電源動作では±5Vまで可能となっています。

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
AD7982 18ビットA/Dコンバータ、1MSPS、PulSAR®、7.0mW AD7982BRMZ AD7982BCPZ-RL7
AD8475 減衰アンプ、完全差動、高精度、ゲイン選択可能 AD8475ACPZ-R7 AD8475BRMZ AD8475ARMZ
ADR435 電圧リファレンス、出力電圧5.0V、超低ノイズ、XFET®、電流シンク / ソース機能付き

To obtain samples of this part, please contact ADI

評価ボード
この実用回路を評価するには、以下の評価ボードを用いて動作確認をすることをお薦めします。
モデル 概要 価格 RoHS 在庫確認/
購入/サンプル
AD8475-EVALZ AD8475 evaluation board used to evaluate this circuit. Please see "Circuit Evaluation & Test" section for set up information. $ 20.98 Yes
EVAL-CED1Z   $ 249.00 Yes
ここに表示されている価格は、1個あたりの価格です。米国内における販売価格(FOB)で表示されておりますので、予算のためにのみご使用いただけます。 また、その価格は変更されることがあります。米国以外のお客様への価格は、輸送費、各国の税金、手数料、為替レートにより決定されます。価格・納期等の詳細情報については、弊社正規販売代理店または担当営業にお問い合わせください。なお、 評価用ボードおよび評価用キットの表示価格は1個構成としての価格です。
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