CN0355

図1に示す回路は24ビットΣ-Δ ADC AD7793をベースにしています。このデバイスは3つの差動アナログ入力を備えており、ゲインの範囲がユニティ・ゲインから128までの低ノイズPGAを内蔵しているため、複数のセンサー・インターフェースに最適です。AD7793の最大消費電流はわずか500μAなので、低消費電力のアプリケーションに適しています。また、低ノイズ、低ドリフトのバンドギャップ・リファレンスを内蔵していますが、外部の差動リファレンスを使うこともできます。出力データ・レートは4.17Hz～470Hzの範囲にソフトウェアで設定できます。

最大電源電流が80μAの低消費電力計装アンプAD8420は、最大36Vの単電源で動作可能で、ブリッジ・トランスジューサの同相電圧を除去するのに使用します。必要に応じて、トランスジューサの小さな差動信号出力にゲインを与えることもできます。

アンプあたりの標準電源電流が60μAで、最大30Vの広い動作入力電圧範囲を持つデュアル・チャンネル・オペアンプADA4096-2は、センサー・ブリッジを駆動します。ADA4096-2の他の半分はリファレンス電圧のバッファとして使用します。

5V～15Vの駆動電圧を必要とする圧力センサーにはさまざまなものがあります。図1に示す回路はブリッジ・タイプ・トランスジューサに対してフル機能のソリューションを提供するもので、4つの重要な部分（トランスジューサの電圧駆動回路、計装アンプ、リファレンス・バッファ、およびADC）からなります。

ブリッジ・タイプ・トランスジューサの電圧駆動

ADA4096-2は、図2に示すように、帰還抵抗でゲインを設定可能な非反転アンプとして構成されています。

ゲインは表1に示すジャンパを設定することによって設定します。

伝達関数は次のように計算することができます。

ここで、RFは40.2kΩ、91kΩ、または140kΩの値が可能で、R8 = 10 kΩです。

NPNトランジスタを使って、ブリッジ・センサーを駆動するのに必要な電流を増幅します。ADA4096-2の反転入力への帰還により反転入力電圧が非反転入力電圧に等しくなるので、ブリッジ回路間の駆動電圧が一定に保たれます。

トランジスタQ1は最大ブレークダウン電圧が80Vのバイポーラ接合トランジスタで、25℃で0.35Wを消費することができます。最大コレクタ電流は500mAです。

計装アンプ

図3に示すように、AD8420はブリッジに生じる同相電圧を除去し、ブリッジの差動電圧だけを増幅します。AD8420の出力の電圧振幅はレールtoレールで、入力同相電圧には影響されません。この機能により、大部分の従来型計装アンプ・アーキテクチャに付随する同相入出力電圧間の相互干渉によって生じる制限をAD8420から除外します。この計装アンプのゲインは1に設定されています。

AD8420の入力は、帯域幅が7.6Hzの差動ノイズ・フィルタ（20kΩ/1μF/100nF）と帯域幅が150Hzの同相ノイズ・フィルタ（10kΩ/100nF）を備えています。 従来型の計装アンプ・アーキテクチャでは低インピーダンス・ソースで駆動するリファレンス・ピンを必要とします。リファレンス・ピンにインピーダンスがあると、同相除去比（CMRR）とゲイン精度のどちらも低下します。AD8420のアーキテクチャでは、リファレンス・ピンに抵抗があってもCMRRに影響を与えません。AD8420の伝達関数は次式のようになります。

ここで、

AD8420の差動入力電圧は、−40℃～+85℃の範囲で±1Vにダイオードにより内部で制限されます。入力電圧がこの制限値を超えると、内部ダイオードは導通して電流を流し始めます。この電流は、AD8420にとって安全な値まで内部で制限されます。

リファレンス・バッファ

図4に示すように、AD7793によって生成された210μAの励起電流が5kΩ抵抗に流れます。これにより、ADA4096-2でバッファされた1.05Vのリファレンス電圧が生成されます。このバッファの出力がAD7793とAD8420のリファレンスを駆動します。この回路はレシオメトリックなので、5kΩ抵抗両端の電圧の変動（AD7793からの210μAの励起電流の5%許容誤差によって生じる）による誤差が最小限に抑えられます。バッファされた電圧リファレンスは、ブリッジ・トランスジューサの駆動電圧を設定するアンプも駆動します（図2参照）。

ADCチャンネル1の構成：ブリッジ・タイプ・センサー

AD7793のチャンネル1はAD8420からのブリッジ・センサー出力を測定します。外部のVREF（1.05V）をリファレンスとして使用するため、AD7793の入力範囲は+1.05Vの同相電圧を中心とした±1.05Vになります。

ADCチャンネル2の構成：温度センサー

AD7793の2つ目のチャンネルは、図5に示すように、210μAの励起電流によって駆動される測温抵抗体（RTD）両端に生じる電圧をモニタします。

100Ωの白金RTDが一般的ですが、これ以外の抵抗値（200Ω、500Ω、1000Ωなど）や素材（ニッケル、銅、鉄ニッケル合金）を指定することもできます。このアプリケーションでは、100ΩのDIN 43,760クラスAのRTDを使用しています。

図5に示すように、4線（ケルビン）接続により、RTDのリード抵抗の影響を除去します。表2に示すように、リンクP3とリンクP4を使って2線、3線、および4線の構成も利用可能なことに注目してください。

温度補償が不要な場合には、リンクP9でRTDをバイパスします。

出力コーディング

両方のチャンネルの入力電圧の出力コードは次式のようになります。

ここで、

AIN = AIN(+) – AIN(−) = AIN(+) – V_REF

ゲインはPGAのゲイン設定値、N = 24です。

電源電圧要件

回路を正しく動作させるには、ブリッジ・タイプ・トランスジューサの5Vの最小駆動電圧を確保するために電源電圧VCCを6Vより高くする必要があります。

システム・キャリブレーション

テスト・データと結果
システム・ノイズ

全てのデータはCN-0355評価用ソフトウェアを使って収集しました。

ボードのノイズを収集するため、セットアップでの測定を2回行いました。図6に示す最初の測定はAD8420の入力を短絡して行いました。したがって、AD8420とAD7793のピークtoピーク・ノイズの測定結果になります。1000個のサンプルを取った結果、約100コードの広がりとなりました。この値は2.1Vのフルスケール・スパンに対して12.5μVのピークtoピーク・ノイズ、つまり17.36ノイズ・フリー・ビットに換算されます。

2番目の測定は、HoneywellのNSCSANN600MGUNVゲージ圧力センサーを評価用ボードに接続して行いました。このボード実装の圧力センサーは増幅も補償もせず、電圧ドライバを10.1Vに設定しました。図7に示すように、このテストは実質的に、トランスジューサのノイズを含むシステム全体からのノイズを示しています。1000個のサンプルを取った結果、約120コードの広がりとなりました。この値は2.1Vのフルスケール・スパンに対して15μVのピークtoピーク・ノイズ、つまり17.1ノイズ・フリー・ビットに換算されます。

システムの消費電流

圧力トランスジューサによって消費される電流を除く、システムの総消費電流を表3に示します。

HoneywellのNSCSANN600MGUNV圧力センサーには約3kΩのインピーダンスがあり、これにより表3の総消費電流に約3.36mAが加わります。

システムの消費電流は、1kΩのような大きなRTD抵抗値を使用して10μAのような小さな電流でRTDを駆動することにより、さらに減らすことができます。

アクティブ部品の誤差解析

システムのアクティブ部品AD8420とADA4096-2による最大誤差と2乗和平方根（RSS）誤差を表4に示します。

回路全体の精度

抵抗の許容誤差に起因する総合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総合誤差に等しく影響を与えると仮定します。2本のクリティカルな抵抗はR8と、R19、R20、R21のいずれかの抵抗です。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、総合抵抗誤差は最大0.2%になります。RSS誤差を想定すると、総合RSS誤差は0.1√2 = 0.14%になります。

この抵抗の誤差と表4のデバイスの誤差を加算すると以下のようになります。

• オフセット誤差= 0.365% + 0.1400% = 0.505%
• ゲイン誤差= 0.050% + 0.1400% = 0.190%
• フルスケール誤差= 0.415% + 0.1400% = 0.555%

これらの誤差は、抵抗の計算値を選択すること、誤差は許容誤差だけであること、およびトランスジューサの電圧駆動を10.1のゲインに設定することを想定した値です。 直線性誤差は、図10に示すセットアップを使用し、−500mV～+500mVの入力範囲でテストしました。総合非直線性は約0.45%でした。非直線性は主にAD8420の入力トランスコンダクタンス（gm）段に起因します。

総合出力誤差（%FSR）は、出力電圧の測定値と理想出力電圧の差を求め、出力電圧のFSRで割り、その結果を100倍することによって計算します。この計算の結果を図8に示します。

EVAL-CN0355-PMDZ評価ボードの写真を図9に示します。システムのドキュメント一式がCN-0355設計サポート・パッケージに含まれています。