CN0289

このソリューションは圧力センサー測定用の4 mA～20 mAトランスミッタです。回路全体の電源がループから供給されます。回路にはセンサー励起ドライブ、センサー出力アンプおよび電圧/電流コンバータの3つの重要なステージがあります。

表1に示されているように、回路に必要な合計電流は1.82 mA (最大)です。したがって、利用可能な4 mAの最大ループ電流を超えることなく、最大2 mAのブリッジ駆動電流を必要とする圧力センサーを使用することができます。

センサー励起ドライブ

選択された圧力センサーに従って、電圧ドライブまたは電流ドライブのどちらかが必要です。回路にはADA4091-2 (U2A)のアンプの１つが使用され、S1を切り替えて設定を選択し、どちらかのオプションをサポートします。S1によりどちらかのドライブが選択されます。

励起：電圧ドライブの設定

電圧ドライブの設定を図2に示します。S1はPCB上のVOLTAGE DRIVEとラベル表示された位置にしてあります。(CN0289設計サポートパッケージの回路レイアウトと回路図を参照してください。http://www.analog.com/CN0289-DesignSupport).

電圧駆動回路は、通常10 Vのブリッジ駆動電圧に設定されています。このモードでは、最小許容ブリッジ抵抗値は次のようになります。

ブリッジの抵抗値が5 kΩ未満の場合、R6を取り去ったバッファ設定を使って、駆動電圧を5 Vまで下げることができます。

次式を使って適当なR6を選択することにより、他の駆動電圧を得ることができます。

ここで

U2Aに十分なヘッドルームを与えるため、ループ電圧V_LOOPをブリッジ駆動電圧より少なくとも0.2 V大きくするように注意します。

励起：電流ドライブの設定

PCB上でCURRENT DRIVEとラベル表示された位置にS1を動かして、図3に示されている電流ドライブの設定に回路を切り替えることができます。

電流駆動モードでは、2 mAの最大許容ブリッジ駆動電流の制限を守る必要があります。回路は、R4 = 2.49 kΩ、およびI_DRIVE = 2 mAに設定されています。次式を使ってR4の値を選択することにより、I_DRIVEの値を下げることができます。

それに伴う駆動電圧V_DRIVEは次式を使って計算します。

U2A電源には0.2 Vのヘッドルームが必要です。したがって次のようになります。

図3に示されている値の場合、R_BRIDGE = 3 kΩ、I_DRIVE = 2 mA、VDRIVE = 11 V、 VLOOP ≥ 11.2 Vとなります。

回路にはADA4091-2オペアンプが選択されています。この理由は、消費電流が低く(250 μA/アンプ)、オフセット電圧が小さく(250 μV)、入力と出力がレールtoレールだからです。

ブリッジ出力の計装アンプと利得およびオフセット抵抗の選択

ブリッジの出力は、帯域幅が39.6 kHzの同相フィルタ(4.02 kΩ、1 nF)と、帯域幅が2 kHzの差動モード・フィルタ(8.04 kΩ, 10 nF)によってフィルタされます。

AD8226は利得誤差が小さく(0.1%、Bグレード)、オフセットが小さく(58 μV @ G = 50、Bグレード；112 μV @ G = 50、Aグレード)、非直線性が優れており(75 ppm = 0.0075%)、レールtoレール出力なので、最適な計装アンプです。

AD8226計装アンプは、利得設定抵抗R3 = 1.008 kΩを使って、100 mV FSの信号を50 倍の利得で5 Vに増幅します。利得GとR3の関係は次式で与えられます。

ここで、G = 50、R3 = 1008 Ω

出力ゼロ値のループ電流ILO = 4 mAの場合：

R10とR8の比が100:1なので、

上の2つの式を組み合わせると、

I_LO = 4 mAのときAD8226の出力は0 Vなので、次式からオフセット抵抗R12を計算することができます。

V_OUT = 5.00Vの場合、出力ループ電流はILH = 20 mAなので、以下のようになります。

R12を流れる電流は次式で与えられます。

R9を流れる電流は次式で与えられます。

したがって、R9の値は次式で計算することができます。

実際は、R3、R9、R12の計算値は入手可能な標準値ではないので、回路で使用される実際の値によって固定誤差が生じます。これらの誤差は以下のように計算することができます。抵抗R3、R9、R12によって生じる、%FSRとして測定された(ただし、FSR = 16 mA)利得誤差、オフセット誤差、および全誤差：

実際は、R3、R9、R12の計算値は入手可能な標準値ではないので、回路で使用される実際の値によって固定誤差が生じます。これらの誤差は以下のように計算することができます。

抵抗R3、R9、R12によって生じる、%FSRとして測定された(ただし、FSR = 16 mA)利得誤差、オフセット誤差、および全誤差：

フルスケール誤差= 利得誤差+ オフセット誤差

実際の回路では、最も近いEIA規格の0.1%抵抗器の値を選択する必要があるので、これまでの式で示したような固定利得誤差と固定オフセット誤差が生じます。2つの0.1%値を組み合せて計算値に近づけることは可能です。たとえば、0.1%抵抗を以下のように直列に組み合わせると計算値に非常に近くなります。

• R3 = 1 kΩ + 8.06 Ω = 1008.06 Ω (計算値= 1008 Ω)
• R9 = 30.9 kΩ + 655 Ω = 31.555k Ω (計算値= 31.56 kΩ)
• R12 = 124 kΩ + 2.26 kΩ = 126.26 Ω (計算値= 126.25 Ω). 

これらの組み合わせを使って計算した誤差は以下のようになります。

• オフセット誤差= –0.008% FSR
• 利得誤差 = +0.010% FSR
• フルスケール誤差= +0.002% FSR

ただし、場合によっては、0.1%抵抗の標準的な値であっても抵抗器メーカーから入手できないことがあり、替わりのものが必要になることがあります。

たとえば、EVAL-CN0289-EB1Z ボードで供給される抵抗は以下のとおりです。 

• R3 = 1000 Ω (計算値 = 1008 Ω)
• R9 = 31.6 kΩ (計算値 = 31.56 kΩ)
• R12 = 124 kΩ (計算値 = 126.25 kΩ)

ボードで与えられている値を使うと、抵抗値による誤差は以下のようになります。

• オフセット誤差 = +0.45% FSR
• 利得誤差 = +0.66% FSR
• フルスケール誤差 = +1.11% FSR

電圧リファレンス

5 Vリファレンスが使われています。その初期精度は0.1% (Aグレード)、0.06% (Bグレード)、電圧ノイズは10 μV p-pです。さらに、36Vまでの電源電圧で動作し、消費電流は最大1 mAなので、ループ駆動アプリケーションに最適です。

電圧／電流変換

4 mA～20 mAの出力は、信号成分(I₉)とオフセット成分(I₁₂)を合わせた電流をR10に発生させます。電流I₁₀ = I₉ + I₁₂がR10の両端に発生させる電圧が、U2BとQ1を介してセンス抵抗R8に印加されます。R8を流れる電流はR10の電流の100倍です。したがって、ループ電流I_LOOPは次にようになります。

R8 (10 Ω)とR10 (1 kΩ)の値は、許容誤差が0.1%のものを簡単に入手できるように選ばれています。

回路が正しく動作するには、回路電流I_CIRCUITは最小ループ電流4 mAを常に下回る必要があります。さらに、PCBのグランドはどんな方法であれループのグランドに接続してはならず、PCBのグランドとセンサーはループのグランドに対して独立していなければなりません。

U2Bの出力によって制御されてループ電流を発生するバイポーラNPNトランジスタは、直線性誤差を最小に抑えるため、利得が少なくとも300あるものにします。また、ブレークダウン電圧が少なくとも50 Vあるものにします。

出力トランジスタQ1は、1.1 W @ 25°Cを消費できる50 V NPNパワー・トランジスタです。回路内のワーストケースの消費電力は、36 VのVCC電源で0 Ωのループ負荷抵抗に20 mAの出力電流が流れる場合です。これらの条件では、Q1の消費電力は0.68 Wです。

回路ボードを駆動する電源電圧V_LOOPは、ループ電源V_{LOOP_SUPPLY}、ループ負荷R7、およびループ電流I_LOOPに依存します。これらの値相互の関係は次式で表されます。

回路が正しく動作するには、ADR02電圧リファレンスに十分なヘッドルームを与えるために電源電圧V_LOOPを7 Vより大きくする必要があります。

したがって、

最大ループ電流が20 mA、R7 = 250 Ωの場合、

最小ループ電源電圧は、ブリッジ駆動回路の設定にも依存します。電圧駆動モードでV_DRIVE = 10 Vのとき、U2Aに十分なヘッドルームを保つため、電源電圧V_LOOPを10.2 Vより大きくする必要があります(図2参照)。

電流駆動モードでは、U2Aに十分なヘッドルームを保つため、電源電圧V_LOOPを11.2 Vより大きくする必要があります(図3参照)。

ループ電源電圧は最大36 Vに制限されています。

アクテイブ部品の誤差解析

AD8226とADR02のAグレードとBグレードの場合の、システム内のアクティブ部品による最大誤差およびrss誤差を表2と表3に示します。ADA4091-2オペアンプは1つのグレード・レベルでだけ供給されることに注意してください。

回路全体の精度

抵抗の許容誤差に起因する全誤差の妥当な近似値を得るには、クリティカルな各抵抗が全誤差に等しく影響を与えると仮定します。クリティカルな5つの抵抗は、R3、R8、R9、R10、R12です。0.1%抵抗で構成したときのワーストケースの許容誤差により、最大0.5%の全抵抗誤差が生じます。rss誤差を仮定すると、全rss誤差は0.1√5 = 0.224%となります。

抵抗のワーストケースの許容誤差0.5%を、前に求めたアクティブ部品(Aグレード)によるワーストケースの誤差に加算すると以下のようになります。

• オフセット誤差= 0.29% +0.5% = 0.79%
• 利得誤差 = 0.15% + 0.5% = 0.65%
• フルスケール誤差= 0.44% + 0.5% = 0.94%

これらの誤差は、理想的抵抗が選択され、誤差はそれらの許容誤差だけによると仮定しています。

回路の全誤差は1%以下ですが、さらに誤差を減らす必要があれば、オフセットや利得の調整機能を回路に追加します。オフセットは、ゼロ入力で4 mAの場合、R12を調整することによって較正することができます。次に、フルスケールは、フルスケール100 mVの入力に対してR9を変化させて調整することができます。オフセットの方を最初に較正すれば、2つの調整は独立におこなうことができます。

回路の実際の誤差データを図4に示します。全出力誤差(%FSR)は、理想的な出力電流と測定された出力電流の差をFSR (16 mA)で割り、それに100を掛けて計算されています。

0 mVと1 mVの間の入力の誤差はAD8226の出力段の飽和電圧によるもので、回路の負荷条件のにより20 mV～100 mVの範囲で変化しうることに注意してください。すべてのレールtoレール出力段は、飽和電圧(バイポーラ出力)またはオン抵抗(CMOS出力)のどちらかにより、電源レールに近づく能力が制限されます。

出力飽和電圧によって生じる誤差が問題であれば、適当な抵抗を+5 Vリファレンスからブリッジの出力の片側に接続することにより、ブリッジからの入力信号にオフセットを与えることができます。