CN0217

12 ビット・インピーダンス・コンバータを使用した高精度インピーダンス測定

※Rev.0を翻訳したものです。新ver.は英語資料をご覧ください。

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回路機能とその特長

X+
AD5933 AD5934は内蔵プログラマブル周波数発生器と12 ビット、1 MSPS (AD5933) または 250 kSPS (AD5934) のA/Dコ ンバータ(ADC)を組み合わせた高精度インピーダンス・コンバ ータのシステム・ソリューションです。このプログラマブル な周波数発生器を使うと、既知の周波数で外部の複素インピ ーダンスを励起することができます。

図1 に示した回路を使うと低Ω レンジから数百kΩ までの正 確なインピーダンス測定値を得られ、AD5933/AD5934 全体の 精度を最適化します。



図1 インピーダンス測定の精度を最適化した信号チェーン(簡略化した回路、全ての接続やデカップリングは示されていません)

回路説明

X+
AD5933 と AD5934 には4 つの設定可能な出力電圧レンジがあ ります;各レンジはそれらに対応する出力インピーダンスが あります。たとえば、出力電圧1.98 V p-p の出力インピーダ ンスは200 Ωtyp です(表1 を参照)

表1 出力直列抵抗(ROUT)対 励起レンジ

Range  Output Excitation Amplitude Output Resistance, ROUT
Range 1 1.98V p-p  200 Ω typ
Range 2 0.97V p-p  2.4 kΩ typ
Range 3 0.383V p-p 1.0 kΩ typ
Range 4 0.198V p-p 600 Ω typ


この出力インピーダンスは(特に低Ω レンジで)インピーダ ンスの測定精度に影響があるので、ゲイン係数を計算する時 には考慮する必要があります。ゲイン係数の計算についての 詳細は、AD5933 または AD5934 のデータシートを参照してください。

シグナル・チェーン内に示す簡単なバッファにより出力イン ピーダンスの未知インピーダンス測定に対する影響を防止す る事ができます。AD5933/AD5934の励起周波数に対応できる ように、十分な帯域幅のある低出力インピーダンス・アンプ を選択する必要があります。CMOS オペアンプ AD8605/ AD8606/ AD8608 ファミリーを使って、実現可能な低 出力インピーダンスの例を図2.に示します。このアンプの出 力インピーダンスはAV =1 の場合( AD5933/AD5934の最大 動作範囲である)100 kHz まで1 Ω 以下です。



図2.AD8605/AD8606/AD8608 の出力インピーダンス

送信段のDC バイアスを受信段へマッチングさせる
AD5933/AD5934 の4 種類のプログラム可能な出力電圧レンジ には4 つの対応するバイアス電圧があります(表2)。例え ば、1.98 V p-p 励起電圧出力のバイアスは1.48 V です。しか し図1 に示すようにAD5933/AD5934 の電流-電圧(I-V)受信段 の電圧はVDD/2 の固定バイアスに設定されます。つまり電源 3.3V とすると、送信バイアス電圧は1.48 V で、受信バイアス 電圧は3.3 V/2 = 1.65 V です。この電位差はテスト下のインピ ーダンスを偏極し、インピーダンスの測定精度を悪くする可 能性があります。

1つの解決方法は低Hz 領域にコーナー周波数を持つ簡単な ハイパス・フィルタを追加する事です。送信段からDC バイ アスを除去し、AC 信号のみをVDD/2 にバイアスし直す事に よりシグナル・チェーン全体を通してDC レベルが一定に保 たれます。


表2 出力レベルと各々の DC バイアス


Range  Output Excitation Amplitude Output DC Bias Level
1 1.98V p-p 1.48V
2 0.97V p-p 0.76V
3 0.383V p-p 0.31V
4 0.198V p-p 0.173V


受信段に最適化されたI-V バッファを選択する
信号の流れの中でAD5933/AD5934 の電流-電圧(I-V)アンプ段 でまた多少の誤差が追加される可能性があります。I-V 変換段 はアンプのバイアス電流、オフセット電圧、CMRR に敏感で す。ユーザーはI-V 変換を行う適切な外付け個別アンプを選 ぶ事により、高CMRR で、より低バイアス電流、低オフセッ ト電圧のアンプを選択しI-V 変換をさらに精度よくする事が できます。その時内部のアンプは単純な反転ゲイン段として 構成できます。

抵抗FB RFBの選択は、AD5933/AD5934 データシートに説明して いるようにシステム全体のゲインに依存します。

高精度インピーダンス測定に最適化したシグナル・ チェーン

図1 は低インピーダンスのセンサーを測定するために提案さ れた回路です。AC 信号は超低出力インピーダンス・アンプで バッファする前に、ハイパス・フィルタを通り、改めて別の バイアス電圧が加えられます。信号がAD5933/AD5934 の受 信段に戻る前に外部回路でI-V 変換が行われます。必要とさ れるバッファを決定するために必要な主な仕様は超低出力イ ンピーダンス、単電源駆動、低バイアス電流、低オフセット 電圧、高いCMRR 性能です。いくつかの推奨デバイスとして ADA4528-1AD8628/AD8629、 AD8605、AD8606 があります。 基板レイアウトにより、1 チャンネルまたは2 チャンネル・ アンプを使用してください。誤差を小さくするためにバイア ス抵抗(50 kΩ)とゲイン抵抗(20 kΩ と RFB)には高精度0.1%抵抗 を使用してください。

バリエーション回路

X+
回路には ADA4528-1, AD8628、 AD8629、AD8605、AD8608の ような他のオペアンプを使用する事ができます。

システム・アプリケーションのスイッチング・オプション
この特定の回路では、ZUNKNOWNとRCALを手動で交換しまし た。しかし量産では低ON 抵抗のスイッチを使用する必要が あります。スイッチの選択は未知インピーダンスの範囲の大 きさと測定結果に求められている精度の高さに依存します。 この回路ノートの例では1本のみの調整用抵抗を使用してい るので、図13 に示すようにADG849のような低ON 抵抗スイ ッチを使用する事ができます。クワッドのADG812のような 複数チャンネルのスイッチ・ソリューションも使用する事が できます。スイッチ抵抗によって ZUNKNOWNにもたらされる誤 差は調整時に取り除かれますが、超低RONスイッチを選ぶ事 により影響をさらに最小にする事ができます。


図13.ADG849を使用したRCALと未知のZとの間のスイッチング(簡略化した回路、全ての接続やデカップリングは示されていません)

回路の評価とテスト

X+
インピーダンス測定の精度を向上するために図1 の回路を開 発し、いくつかの例について測定しました。デュアル・オペ アンプAD8606 は送信経路の信号をバッファし、受信信号を 電流から電圧に変換します。3 つの例では、周波数依存誤差 を取り除くために各周波数インクリメントに対してゲイン係 数を計算します。このソリューションに関する回路、部品表、 レイアウト、Gerber ファイルを含む完全な設計パッケージは CN0217-DesignSupport の中で提供され ています。使用されるソフトウエアは、評価基板とともに提 供されるソフトウエアと同じでAD5933 と AD5934 製品ペー ジからアクセスできます。

例 1:低インピーダンス・レンジ

表1.低インピーダンス・レンジのセットアップ
(電源電圧VDD = 3.3 V)


Parameter  Value
V p-p 1.98V (Range 1)
Number of Settling Time Cycles 15
MCLK 16 MHz
RCAL 20.1Ω
RFB 20.0Ω
Excitation Frequency Range 30 kHz to 30.2 kHz
Unknown Impedances R1 = 10.3Ω, R2 = 30.0Ω, C3 = 1 µF (ZC = 5.3Ω< at 30 kHz)


低インピーダンスの測定の結果を図3、図4、図5 に示します。 図5 は10.3 Ω の測定値で、縦軸方向に拡大スケールで表示さ れています。

達成される精度は調整用抵抗(RCAL)を基準に未知インピー ダンスの範囲がどのくらい大きいかによります。従って、こ の例では未知インピーダンス10.3 Ω の測定値は、10.13 Ω と なり、誤差は約2%です。未知のインピーダンスに近い値の RCALを選ぶほど、より高精度の測定を達成できます;すなわ ち、未知インピーダンスの範囲がRCAL周辺を中心に狭ければ 狭いほど、測定はより高精度になります。すなわち未知イン ピーダンスの範囲が大きい場合には、未知インピーダンスの 範囲を分割するために、外付けスイッチを使用して各種の RCAL 抵抗に切り替える事で対応します。スイッチのオン抵抗、 RON誤差はRCALゲイン係数の計算時の調整により除去されま す。各種のRFB値を選択するスイッチを使用すれば、ADC か ら見た信号のダイナミック・レンジを最適化する事ができま す。


図3. 低インピーダンス振幅の測定結果


図4. 低インピーダンス位相の測定結果



図5. 10.3 Ω 振幅の測定結果(拡大スケール)

例 2:kΩ インピーダンス・レンジ
表2 にまとめたセットアップ条件に従い、99.85 kΩ のRCALを 使用して広範囲の未知インピーダンスを測定しました。図6 ~図10 は高精度な結果を立証しています。


全体の精度を向上させるために、未知インピーダンスに近いRCAL値を選択してください。例えば、図9 ではZCの217.5 kΩ に近いRCALが必要です。もし未知インピーダンスの範囲 が大きい場合、RCAL抵抗を2 個以上使用してください。



表2.kΩ インピーダンス・レンジのセットアップ

Parameter  Value
V p-p 0.198V (Range 4)
Number of Settling Time Cycles 15
MCLK 16 MHz
RCAL 99.85 kΩ
RFB 100 kΩ
Excitation Frequency Range 30 kHz to 50 kHz
Unknown Impedances R0 = 99.85 kΩ
R1 = 29.88 kΩ
R2 = 14.95 kΩ
R3 = 8.21 kΩ
R4 = 217.25 kΩ
C5 = 150 pF (ZC = 26.5 kΩ at 40 kHz)
C6 = 47pF (ZC = 84.6 kΩ at 40 kHz)



図6 ZC = 47 pF, RCAL = 99.85 kΩ の場合の振幅測定結果


図7. ZC = 47 pF, RCAL = 99.85 kΩ の場合の位相測定結果


図8 ZC = 8.21 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ


図9 ZC = 217.25 kΩ, RCAL = 99.85 kΩ


図10. 例2 の振幅測定結果;R1, R2, R3, C5, C6

例 3:R-C 並列回路 (R||C) の測定
R-C 並列タイプの測定もこの回路構成を使い、RCAL= 1 kΩ、 R =10 kΩ、C = 10 nF とし、4 kHz~100 kHz の周波数範囲全体に 渡って測定して行いました。振幅と位相の測定結果 対 理想値 の曲線を図11、図12 に示します。

表3.R||C インピーダンス・レンジのセットアップ

Parameter  Value
V p-p 0.383V (Range 3)
Number of Settling Time Cycles 15
MCLK 16 MHz
RCAL 1 kΩ
RFB 1 kΩ
Excitation Frequency Range 4 kHz to 100 kHz
Unknown Impedance R||C
R = 10 kΩ
C = 10 nF




図11.ZC = 10 kΩ||10 nF, RCAL = 1 kΩ の場合の振幅測定結果


図12.ZC = 10 kΩ||10 nF, RCAL = 1 kΩ の場合の位相測定結果

セットアップとテスト
EVAL-CN0217-EB1Z のソフトウエアはEVAL-AD5933EBZ ア プリケーション基板で使用するソフトウエアと同じです。基 板のセットアップについての詳細はご提供するCD に含まれ ている技術ノートを参照してください。回路の変更がある事 に注意してください。基板EVAL-CN0217-EB1Z のリンク接続 を表4 に記載します。また、RFB の位置は評価基板のR3 に 配置され、ZUNKNOWNの位置はC4 である事に注意してください。


表4EVAL-CN0217-EB1Z のリンク接続

Complete setup and operation for the hardware and software for the evaluation board can be found in User Guide UG-364.


Link Number  Default Position
LK1 Open
LK2 Open
LK3 Insert
LK4 Open
LK5 Insert
LK6 A


製品サンプル

X+

Samples

Product

Description

Available Product
Models to Sample

AD8606 オペアンプ、デュアル、高精度、ローノイズ、入 / 出力レールtoレール、CMOS

AD8606ARZ

AD5934 インピーダンス・コンバータ、12ビット、250kSPS、ネットワーク・アナライザ

AD5934YRSZ

AD5933 12ビット、インピーダンス・コンバータ、1MSPS、ネットワーク・アナライザ

AD5933WYRSZ-REEL7

AD5933YRSZ

評価用ボード 表示されている価格は、1個あたりの価格です。
価格は1個当たりの米ドルで、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。