設計目標

設計の説明

この設計は、動作時消費電力がわずかnW単位のSAR ADCの駆動に用いる低消費電力アンプを示しています。この設計は、センサ データ収集システム用であり、消費電力がわずか数µWの低消費電力の信号チェーンを必要とします。この SAR ADC 設計を活用できる消費電力の制限が厳しいシステムの例として、PIR センサ、ガス センサ、血糖モニタなどがあります。「部品選定」の値を調整して、さまざまなデータ スループット レート、さまざまな帯域幅のアンプを実現できます。『低消費電力センサ測定：3.3V、1ksps、12 ビット シングルエンド、単一電源』では、負電源を接地する、この回路の簡易版を示しています。この例では－0.3V負電源を使用して、最高水準の線形入力信号範囲を達成します。低消費電力 SAR 設計のトレードオフの詳細については、『SAR ADC パワー スケーリング』を参照してください。

デザイン ノート

1. 同相、出力振幅、線形開ループ ゲインの仕様に基づいて、オペアンプの線形範囲を特定します。これについては「部品選定」で述べます。
2. 歪みを最小限に抑えるために、CfiltにはCOG (NPO)コンデンサを選定します。
3. 『TI プレシジョン ラボ – ADC』トレーニング ビデオ シリーズで、電荷バケツ回路 Rfilt と Cfilt の選択方法を説明しています (『SAR ADC フロント エンド コンポーネント選定の概要』を参照)。これらの部品の値はアンプの帯域幅、データ コンバータのサンプリング レート、データ コンバータの設計に依存します。ここに示す値は、この例のアンプとデータ コンバータで適切なセトリングと AC 性能を実現します。設計を変更するには、別の RC フィルタを選択する必要があります。

部品選定

1. 低消費電力オペアンプを選定します。
   • 消費電流: 0.5µA未満
   • ゲイン帯域幅積：5kHz 超 (サンプリング レートの 5 倍)
   • ユニティ ゲイン安定
   • LPV811 – 消費電流: 450nA、ゲイン帯域幅積: 8kHz、ユニティ ゲイン安定
2. 線形動作に対応するオペアンプの最大/最小出力を特定します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}+0\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-0.9\mathrm{V} \mathrm{from} \mathrm{LPV}811 {\mathrm{V}}_{\mathrm{cm}} \mathrm{specification}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}+10\mathrm{mV}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-10\mathrm{mV} \mathrm{from} \mathrm{LPV}811 \mathrm{Vout} \mathrm{swing} \mathrm{specification}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}+0.3\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-0.3\mathrm{V} \mathrm{from} \mathrm{LPV}811 \mathrm{Aol} \mathrm{linear} \mathrm{region} \mathrm{specification}$
3. 推定値による標準消費電力計算(1ksps時)。低消費電力 SAR 設計のトレードオフの詳細については、『SAR ADC パワー スケーリング』を参照してください。
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{AVDD\_AVG}}\times \mathrm{AVDD}=230\mathrm{nA}\times 3.3\mathrm{V}=759\mathrm{nW}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}={\mathrm{I}}_{\mathrm{LPV}811}\times ({\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}})=450\mathrm{nA}\times [4.5\mathrm{V}-(-0.3\mathrm{V}\left)\right]=2.16\mathrm{\mu W}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{total}}={\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}+{\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}=759\mathrm{nW}+2.16\mathrm{\mu W}=2.919\mathrm{\mu W}$
4. 測定値による標準消費電力計算(1ksps時)。
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{AVDD\_AVG}}\times \mathrm{AVDD}=214.8\mathrm{nA}\times 3.3\mathrm{V}=708.8\mathrm{nW}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}={\mathrm{I}}_{\mathrm{LPV}811}\times ({\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}})=431.6\mathrm{nA}\times [4.5\mathrm{V}-(-0.3\mathrm{V}\left)\right]=2.071\mathrm{\mu W}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{total}}={\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}+{\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}=708.8\mathrm{nW}+2.071\mathrm{\mu W}=2.780\mathrm{\mu W}$
5. 1kspsでセトリングを実現するRfiltとCfiltを求めます。Rfilt と Cfilt を選択するアルゴリズムについては、『Rfilt 値と Cfilt 値を微調整』(『プレシジョン ラボ』のビデオ) を参照してください。最終的に200kΩと510pFという値で、最下位ビット(LSB)の1/2を優に下回るまでセトリングできることが分かりました。

DC 伝達特性

以下のグラフは、0～3.3Vの入力に対する線形出力応答を示しています。ADC のフルスケール範囲 (FSR) は、オペアンプの線形範囲内に収まっています。この件の詳しい理論については、『オペアンプを使用するときの SAR ADC の線形範囲の決定』を参照してください。

AC 伝達特性

帯域幅シミュレーションは、アンプの出力インピーダンスと RC 電荷バケツ回路 (R_filt と C_filt) の影響を含んでいます。RC 回路の帯域幅は、以下の式に示すとおり 1.56kHz となります。2kHzという帯域幅のシミュレーション結果は、負荷のインピーダンスと相互作用する出力インピーダンスの影響を含んでいます。この件の詳細については、『TI Precision Labs - Op Amps: Bandwidth 1』(英語) を参照してください。

ADC 過渡入力電圧セトリング シミュレーション

以下のシミュレーションは、3V DC入力信号へのセトリングを示しています。このようなシミュレーションは、LSBの1/2 (402µV)以内になるようにサンプル/ホールド キックバック回路が適正に選定されていることを示します。この件の詳しい理論については、『SAR ADC フロント エンド コンポーネント選定の概要』を参照してください。

ノイズ シミュレーション

ここには概算用の簡易なノイズ計算を記載します。抵抗のノイズは 10kHz を超える周波数で減衰するため、この計算では無視されます。

計算結果とシミュレーション結果はよく一致しています。この件の詳しい理論については、『Calculating the Total Noise for ADC Systems』を参照してください。

使用デバイス

主要なファイルへのリンク (TINA)

テキサス・インスツルメンツ、『SBAM342 回路』、設計ファイル