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評価用ボード

Part Numbers with "Z" indicate RoHS Compliance. Boards checked are needed to evaluate this circuit

  • EVAL-CFTL-6V-PWRZ ($17.00) Wall Power Supply for Eval Board
  • EVAL-CN0272-SDPZ ($100.00) 2 MHz Bandwidth PIN Photodiode Preamp with Dark Current Compensation
  • EVAL-SDP-CB1Z ($99.00) Eval Control Board
在庫確認と購入

機能と利点

  • High speed photodiode signal conditioning circuit
  • 91dB dynamic range and circuit consumes only 40 mA
  • Dark current compensation
  • Spectral range from 400 nm to 1050 nm
  • Well suited for portable high speed applications

回路機能とその特長

図1に示す回路は、暗電流補償機能を備えた高速フォトダイオード・シグナル・コンディショニング回路です。このシステムは、高速シリコンPINフォトダイオードからの電流を電圧に変換し、20 MSPSのA/Dコンバータ(ADC)の入力を駆動します。このデバイスの組合わせにより、49 nAの光電流感度で400 nm~1050 nmのスペクトル感度、91 dBのダイナミック・レンジ、そして2 MHzの帯域幅を実現します。システムのシグナル・コンディショニング回路には±5 V電源から40 mAの電流しか流れないので、この構成はパルス・オキシメトリ(パルス酸素濃度測定)などの、高速、高分解能の光強度測定の携帯型アプリケーションに適しています。


図1. 暗電流補償機能を備えたフォトダイオード・プリアンプ・システム(簡略回路図)

この回路が適している他のアプリケーションとして、アナログ光アイソレータがあります。また、適応型速度制御システムなど、帯域幅を大きく、分解能を低くする必要があるアプリケーションにも対応可能です。

この回路ノートでは、安定性の計算、ノイズ解析、および部品選択に関する検討を含め、特定の帯域幅に対して図1の回路を最適化するのに必要なデザイン・ステップを解説します。

回路説明

部品の選択


フォトダイオードは光の強度を検出するのに使われる高インピーダンス・センサーです。フォトダイオードには内部ゲインはありませんが、他の光検出器よりもはるかに高い照度で動作することができます。


フォトダイオードは、ゼロ・バイアス(光起電力モード)または逆バイアス(光導通モード)のどちらかで動作します。精度が最も高いリニア動作は光起電力モードで得られます。速いスイッチング速度はダイオードが光導通モードで動作するときに実現できますが、直線性が低下します。こうした逆バイアス条件下では、照明のないときでも暗電流と呼ばれる少量の電流が流れます。暗電流による誤差は、図1のオペアンプの非反転入力に同じタイプのもう1つのフォトダイオードを使用することによってキャンセルすることができます。


以下の3つの要素がフォトダイオードの応答時間に影響を与えます。

  • フォトダイオードの放電しきった領域でのキャリアの電荷収集時間
  • フォトダイオードの放電しきっていない領域でのキャリアの電荷収集時間
  • ダイオード回路の組合わせのRC時定数

接合容量がフォトダイオードの拡散領域と印加される逆バイアスに依存するため、フォトダイオードの拡散領域を小さくするほど、また印加される逆バイアスを大きくするほど立上がり時間を短くすることができます。この回路ノートで使用されているSFH 2701 PINフォトダイオードの接合容量は、標準3 pF、0 Vバイアスでは最大5 pFです。標準容量は1 V逆バイアスで2 pF、5 V逆バイアスでは1.7 pFです。回路内の測定は全て5 V逆バイアスで行いました。
 

図2. ACおよびノイズ解析用広帯域フォトダイオード・プリアンプの等価回路

図2は、I/Vコンバータをフォトダイオードの電気的モデルとともに表したものです。基本的な伝達関数は次式で表されます。


CN0272_Image1


ここで、IPHOTOはフォトダイオードの出力電流で、RFとCFを並列に組み合わせることで信号帯域幅が設定されます。フォトダイオードからの出力電流の全てがRFを通過するのが理想的ですが、あらゆるオペアンプには出力に誤差を生じる入力バイアス電流が流れます。この誤差を最小限に抑えるには、入力バイアス電流がピコアンペア単位で入力オフセット電圧が低いオペアンプが適しています。AD8065の入力バイアス電流はわずか2 pA、入力オフセット電圧はわずか400 μVです。

  

この回路は、フォトダイオードの最大電流が200 μAのときにフルスケール出力が5 Vになるように設計されています。これにより、帰還抵抗の値が次のように決まります。


CN0272_Image13


このプリアンプで達成可能な安定した帯域幅は、RFとアンプの利得帯域幅積(65 MHz)ならびにアンプの加算点の総容量CINの関数になります。この回路では、SFH 2701ダイオード(OSRAM Opto Semiconductors GmbH)の最大容量はCD = 5 pFです。AD8065の同相入力容量はCM = 2.1 pF、差動入力容量はCD = 4.5 pFです。したがって、総入力容量はCIN = 11.6 pFになります。


位相マージンが45°になる信号帯域幅f(45)は次式で求められることが分かります。


CN0272_Image2


達成可能な最大帯域幅が所定の帯域幅より大きいので、AD8065はアプリケーションに最適なデバイスです。これは主にfCRとCINの比が大きいためです。


RFとCINにより、アンプのループ伝達関数に、ピーキングと不安定性を生じる可能性がある極が形成されます(図3参照)。CFを追加すると、ループ伝達関数内に極の影響を補償するゼロ点が形成されることにより、信号帯域幅が減少します。
 


図3. 入力容量の補償

選択したRFの値を使って2 MHzの帯域幅を生成するCFの値は次のようになります。

CN0272_Image3

3.3 pFがシステムを安定化するのに十分な容量かどうかを判定するため、45°の位相マージンを得るのに必要な容量を計算します。f(45)を与えるCFの値は次のように表すことができます。

CN0272_Image4

3.3 pFの所定の値が1.1 pFの最小値より大きいことからシステムは安定します。これは、容量が増すほど位相マージンが大きくなるからです。



ノイズの解析


これで部品が選択されたので、信号の変換に必要な分解能を決める必要があります。多くのノイズ解析のように、主要な要因のみを特定する必要があります。ノイズ源はRSS(2乗和の平方根)で合算されるので、他のノイズより少なくとも3~4倍大きな単一のノイズ源が支配的になります。


フォトダイオード・プリアンプの場合、出力ノイズの主要なソースはオペアンプの入力電圧ノイズと帰還抵抗ノイズです。FET入力オペアンプの入力電流ノイズは無視できる大きさです。フォトダイオードのショット・ノイズ(逆バイアスに起因)は、シャント容量のフィルタリング効果により無視できます。


抵抗ノイズはジョンソン・ノイズの式を使って計算します。


CN0272_Image5


ここで、 kは、ボルツマン定数(1.38 × 10-23J/K)。Tはケルビン単位の絶対温度。


1.57の係数により、概算の単極帯域幅が等価ノイズ帯域幅に変換されます。


プリアンプの正側入力の0.1 μFコンデンサが、バイアス電流の影響をキャンセルするのに使用される2番目のRF抵抗によって生じる高周波ノイズを除去することに注意してください。


出力ノイズの主要なソースは、入力電圧ノイズと、f1とfCRの間に生じる高周波ノイズ・ゲインのピーキングに起因します。出力ノイズが全周波数範囲で一定で、ACノイズ・ゲインに最大値を使用すると仮定した場合、次のようになります。


CN0272_Image6


ここで、VNはアンプの入力電圧ノイズです(7 nV/√Hz)。

この結果、出力を基準にした総合rmsノイズは、2つの成分のRSS値になります。

CN0272_Image7


プリアンプの総合出力ダイナミック・レンジは、フルスケール出力信号(5 V)を総合出力rmsノイズ(67 μV rms)で割り、デシベルに変換することによって計算することが可能で、その値は約97 dBになります。

CN0272_Image14



ADCの選択


アンプによるノイズ出力の大きさは、分解可能なビットの最大数であることが既知なため、フルスケール出力をrmsノイズで割ることによって計算することができます。


CN0272_Image15


rms LSBの数値は有効分解能に変換することができます。


CN0272_Image19


ノイズフリー・コード分解能は、有効分解能から2.7ビットを差し引くことによって得られます。


CN0272_Image16


最終的なアプリケーションによっては、13ビットは実際に必要な分解能を上回るかもしれません。所望のアプリケーションがこの大きさの分解能を必要としないということは、システムが12ビットの設計要件を満たすことが確認されているということです。


前に説明したように、LSBの大きさ(電流)が暗電流の大きさよりも小さい場合、同じタイプの2つ目のフォトダイオードをオペアンプの非反転入力に使用することによって暗電流をキャンセルすることができます。たとえば、16ビットの分解能が必要な場合、検出される光電流は次のようになります。


CN0272_Image8


SFH 2701を流れる暗電流の最大値は5 nAに規定されているので、16ビットの設計には暗電流補償が必要になります。

このアプリケーションでは12ビットADCを使用しているので、LSBの大きさは49 nAになり、暗電流補償は不要です。


帯域幅が2MHzの場合、サンプリング・レートが10倍以上のADCを選択することが妥当です。これは、理想的なADCは12ビットの分解能では20 MSPSのレートでサンプリングする必要があることを意味します。


AD9629-20は、分解能が12ビットの20 MSPS ADCなので最適なデバイスです。ただし、差動入力を必要とするので、5 V p-pのシングルエンド信号を2 V p-pの差動信号に変換する必要があります。これは、シングルエンドから差動への変換を簡略化し、同相レベル・シフトと高精度の減衰を行うAD8475差動減衰アンプを使用することにより、容易に実現できます。


AD8475は、最大出力オフセットがわずか500 μV、差動出力ノイズが10 nV/√Hz、全高調波歪み+ ノイズ(THD + N)が−112 dBのデバイスです。

 

AD8475は、2 V p-pの最大出力電圧、2 MHzの設計要件を十分に満たす最大10 MHzをサポートすることができます。


AD8475のゲインは、AD9629-20のアナログ入力スパン(2 V p-p)とAD8065のフルスケール出力(5 V p-p)によって決められています。


CN0272_Image17


AD9629-20には0.9 Vの同相電圧が組み込まれており、VCMピンから利用可能です。このピンは、0.9 Vの同相電圧でAD8475のVOCMピンを駆動します。


このシステムにはAD8475のノイズ成分を含めることが重要です。これは、まずAD8065の出力ノイズ(67 μV rms)にAD8475のゲインを掛けることにより、AD8065による成分を求めます。


CN0272_Image18


AD8475に起因する出力ノイズは、出力ノイズ密度(10 nV/√Hz)に出力フィルタによって設定される帯域幅の平方根を掛けることによって計算します。


CN0272_Image9


Noise at AD8475 Output After Filter =


CN0272_Image10

AD8475のフィルタ後の出力の総合ノイズは、2つの成分のRSS値を得ることによって次のように計算します。


CN0272_Image11

AD8475のノイズ成分を計算に組み込むことにより、分解可能なビット数を確定し、総合ダイナミック・レンジを計算することができます。


CN0272_Image12



テスト結果


フォトダイオードD1を駆動して電流を発生させるのにレーザー・ダイオードを使用しました。暗電流補償用にフォトダイオードD2を使用し、不透明エポキシ樹脂(EPO-TEK® 320)で覆うことにより、D1が励起したときにD2から出力電流が流れないようにしています。


フォトダイオードを期待電流より大きな電流が流れるように駆動させることにより、AD8065のおおよその最大立上がり時間と最大立下がり時間が約72 nsになりました(図4参照)。



図4. フォトダイオードのオーバードライブによるパルス応答

レーザー・ダイオードがフォトダイオードを200 μAを超える電流にオーバードライブしないように、レーザー・ダイオードの位置を移動することにより、システムのより現実的な立上がり時間と立下がり時間を測定することができます。AD8065の測定した立上がり時間と立下がり時間(それぞれ282 nsと290 ns)を図5に示します。十分な位相マージンがあるために、どちらのテストでもレーザー・ダイオードがオフした後にリンギングが生じていないことに注意してください。
図5. レーザー・ダイオードのパルス応答

システムの強い光パルスへの応答がテストされたことで、システムの光度の高速変化への応答をテストすることが可能になりました。Agilent 33250A関数発生器を使って、2 MHzのサイン波でレーザー・ダイオードを駆動しました。AD8065の出力が光度の小さな変化を良好に検出できていることを図6に示します。また、CN0272評価用ソフトウェアがAD9629-20 ADCからの変換データを良好に受信し、データをチャートにプロットした画面例を図7に示します。

図6. 変化する光源を使ったAD8065の出力


  

図7. 変化する2 MHzの光源をデジタル化するCN0272評価用ソフトウェアの画面例

この回路ノートに関する完全な設計サポート・パッケージは、http://www.analog.com/CN0272-DesignSupportで入手できます。


パルス・オキシメトリのアプリケーション


パルス酸素濃度計は、酸素飽和ヘモグロビン(Hgb)のパーセント値と患者の脈拍数を連続的に測定する際に使われる医療用機器です。酸素を運ぶヘモグロビン(オキシヘモグロビン)は赤外領域(940 nm)のスペクトルの光を吸収し、酸素を運ばないヘモグロビン(ディオキシヘモグロビン)は赤の可視光(650 nm)を吸収します。人体の酸素のパーセント値は、これら2つの光の強度の比を計算することによって求められます。


パルス酸素濃度計では、2個のLED(一方は赤色光を放射、他方は赤外線光を放射)が2つの電流源によって即座に連続的に励起され、このLEDからの光の強度を検出するのにフォトダイオードが使用されます。図1の回路は、CN-0125のように、各LEDが薄い布を通して伝達する光を捕捉するために、LED電流シンク回路に同期させることができます。

バリエーション回路

選択された部品はノイズとコストに対して最適化されたものですが、他の組合わせに置き換えることも可能です。

他の適した2電源アンプはADA4817-1ADA4637-1です。単一電源動作が必要な場合、AD8605AD8615を推奨します。これらのアンプは全て、入力バイアス電流が2 pA以下、入力オフセットが400 μV以下、ユニティゲイン帯域幅積が10 MHz以上です。


適応型速度制御など、100 MHz以上の帯域幅を必要とするアプリケーションには、ADA4817-1 FastFETアンプ、ADA4932-1低消費電力差動ADCドライバ、および12ビット、210 MSPSのAD9634-210 ADCの組合わせを推奨します。


ADA4817-1は、ゲイン帯域幅積が400 MHzと大きく、入力容量が1.4 pFときわめて小さな値です。これにより、このアンプは広帯域のトランスインピーダンス・アプリケーションに最適となっています。


ADA4932-1ドライバは、最大360 MHzまで2 V p-pの出力を維持することができるので、AD9634-210ADCの要件を満たします。

回路の評価とテスト

この回路は、EVAL-CN0272-SDPZ回路ボードEVAL-SDP-CB1Z SDP-Bシステム・デモ用プラットフォーム・コントローラ・ボードを使用します。2枚のボードは120ピン・コネクタを備えているので、短時間で組み立てて回路の性能を評価することができます。EVAL-CN0272-SDPZボードには、この回路ノートで説明したように、評価対象の回路が含まれています。SDP-Bコントローラ・ボードは、EVAL-CN0272-SDPZ回路ボードからデータをキャプチャするためにCN0272評価用ソフトウェアと併用します。


必要な装置 

以下の装置が必要になります。

  • USBポート付きWindows® XP(32ビット)、Windows Vista®、またはWindows® 7搭載PC
  • EVAL-CN0272-SDPZ回路ボード
  • EVAL-SDP-CB1Z SDP-Bコントローラ・ボード
  • CN-0272 SDP評価用ソフトウェア
  • EVAL-CFTL-6V-PWRZ DC電源または等価な6 V/1 Aベンチ電源
  • 400 nm~1050 nmの光源


評価開始にあたって

CN0272評価用ソフトウェアのCDをPCのCDドライブにセットして、評価用ソフトウェアをロードします。マイコンピュータから評価用ソフトウェアCDを挿入したドライブを探します。


機能ブロック図


回路ブロック図については図1を、全体回路図についてはEVAL-CN0272-SDPZ-PADSSchematic-RevC.pdfファイルをご覧ください。このファイルはCN0272 Design Support Packageに含まれています。
図8. テスト・セットアップのブロック図


セットアップ


EVAL-CN0272-SDPZ回路ボードの120ピン・コネクタをEVAL-SDP-CB1Zコントローラ・ボード(SDP-B)のCON Aコネクタに接続します。120ピン・コネクタの両端にある穴を利用し、ナイロン製ハードウェアを使って2枚の基板をしっかり固定します。電源をオフにして、6 V電源をボードの+6 VピンとGNDピンに接続します。6 VのACアダプタがある場合は、ボード上のACアダプタ用ジャックに接続して、6 V電源の代わりに使用することができます。SDP-Bボードに付属しているUSBケーブルをPCのUSBポートに接続します。このとき、USBケーブルをSDP-BボードのミニUSBコネクタに接続しないでください。



テスト


EVAL-CN0272-SDPZ回路ボードに接続された6 V電源(またはACアダプタ)をオンにします。評価用ソフトウェアを起動し、PCからのUSBケーブルをSDP-BボードのミニUSBコネクタに接続します。

 

USBによる通信が確立されると、SDP-Bボードを使ってEVAL-CN0272-SDPZボードとの間のパラレル・データの送受信およびキャプチャを行うことができます。

 

SDPボードに接続されたEVAL-CN0272-SDPZ評価ボードの写真を図9に示します。SDP-Bボードについては、SDP-Bユーザー・ガイドを参照してください。

 

暗電流補償用にフォトダイオードD2を使用し、不透明エポキシ樹脂(EPO-TEK 320)で覆うことにより、D1が励起したときにD2から出力電流が流れないようにしていることに注意してください。

 

テスト・セットアップとキャリブレーションについての詳細情報ならびにデータ・キャプチャのための評価用ソフトウェアの使用法については、CN-0272ソフトウェア・ユーザー・ガイドをご覧ください。

 

図9. EVAL-SDP-CB1Z SDP-Bボードに接続されたEVAL-CN0272-SDPZ評価ボード



プロトタイプ開発での接続


EVAL-CN0272-SDPZ評価ボードはEVAL-SDP-CB1Z SDP-Bボードを使用するように設計されていますが、マイクロプロセッサを使ってAD9629-20のパラレル・ペリフェラル・インターフェース(PPI)とインターフェースすることができます。その他のコントローラをEVAL-CN0272-SDPZ評価ボードと併用するためには、サードパーティによるソフトウェア開発が必要になります。

アルテラやザイリンクスのフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)とのインターフェースに使用可能な既存のインターポーザ・ボードがあります。Niosドライバを使用することにより、アルテラのBeMicro SDKボードをBeMicro SDK/SDPインターポーザと併用することができます。FMCコネクタを備えたザイリンクスのどの評価ボードもFMC-SDPインターポーザ・ボードと併用することができます。

製品サンプル

製品

概要

サンプル提供可能な
製品型番

AD8065 オペアンプ、145MHz、高性能、 FastFET

AD8065ARTZ-REEL7

AD8065ARZ

AD8065WARTZ-R7

ADR441 電圧リファレンス、出力電圧2.5V、LDO型 XFET®、超低ノイズ、電流シンク / ソース機能付き

ADR441ARMZ

ADR441ARZ

ADR441TRZ-EP

AD8475 完全差動減衰アンプ、高精度、ゲイン選択可能

AD8475ACPZ-R7

AD8475ARMZ

AD8475BRMZ

AD9629 A/Dコンバータ、12ビット、20MSPS/40MSPS/80MSPS、1.8 V

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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。