設計の説明

計装アンプは、低レベルのセンサ出力を高レベル信号に変換してADCを駆動する一般的な方法です。通常、計装アンプは低ノイズ、低オフセット、低ドリフトに最適化されています。しかし、多くの計装アンプの帯域幅は最高サンプリング レートでADCにおける電荷のキックバックを適切にセトリングするのに十分ではありません。本書には、計装アンプとともに広帯域バッファを使用して、高いサンプリング レートで適切なセトリングを実現する方法を示します。さらに、多くの計装アンプは高電圧電源用に最適化されており、高電圧出力 (すなわち ±15V) を低電圧アンプ (5V など) に接続する必要があります。この設計では、電流制限抵抗を使用して、計装アンプがオペアンプの入力電圧範囲を逸脱した場合にアンプを電気的オーバーストレスから保護する方法を示します。関連するクックブックには、広帯域バッファを使用しない簡易な手法を示しています (『計装アンプを使用したスイッチト キャパシタ SAR ADC 駆動回路』)。簡易な手法では、バッファ付きの設計に比べてサンプリング レートが制限されます。なお、以下の回路はブリッジ センサを示していますが、この方法は多種多様なセンサに利用できます。

この回路実装は、アナログ入力モジュール、心電計 (ECG)、パルス オキシメータ (血中酸素飽和度計)、ラボ計測機器、鉄道輸送用制御ユニットなどの用途に適しています。

デザイン ノート

1. 計装アンプの帯域幅は通常、高いデータ レートでSARデータ コンバータを駆動するには低すぎます(この例では305V/Vのゲインに対してINA826の帯域幅は10.4kHzです)。各変換サイクルにおいてSARのスイッチト キャパシタ入力を充電しなければならないため、広い帯域幅が必要です。OPA320バッファを追加して、ADCが最高データ レート(ADS8860 1Msps)で動作できるようにしました。
2. ADCの入力範囲にマッチした入力振幅を実現するようにゲインを選定します。計装アンプの基準ピンを使用して、入力範囲にマッチするように信号オフセットをシフトします。これについては「部品選定」で説明します。
3. オペアンプの入力電圧レベルがアンプの通常動作範囲内に収まるようにINA826のゲインを増減します。ただし、電源投入時やセンサ切断時には、出力がいずれかの電源レール (±15V) に達することがあります。電流を制限するために抵抗 R₃ を使用します。これについては、本書の「計装アンプ-オペアンプ間の過電圧保護フィルタ」で述べます。
4. 大半の計装アンプの入力基準電圧を駆動するには、分圧器の後にバッファ アンプが必要です。高精度の抵抗と高精度の低オフセット アンプをバッファとして選定します。この件の詳細については、『Selecting the right op amp』を参照してください。
5. 「計装アンプの同相入力電圧範囲を計算」ソフトウェア ツールを使用して、アンプの同相電圧範囲を確認します。
6. 歪みを最小限に抑えるために、C₁、C_filt に COG コンデンサを選定します。
7. ゲイン設定抵抗 R_g には、0.1% 20ppm/℃の薄膜抵抗を使用します。この抵抗の誤差とドリフトがゲイン誤差とゲイン ドリフトに直結します。
8. プレシジョン ラボ シリーズ：A/D コンバータ (ADC) トレーニング ビデオ シリーズでは、電荷バケツ回路の R_filt と C_filt を選択する方法について解説しています。この件の詳細については、『Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection』を参照してください。

部品選定

1. 出力振幅を0.2V～4.8Vに設定する計装アンプのゲイン設定抵抗を求めます。
   
2. 出力振幅を適切な電圧レベルにシフトする INA826 の基準電圧 (Vref) を求めます。
   
3. INA826 の基準電圧 (V_{ref_INA} = 3.27V) を設定する標準値抵抗を選定します。「アナログ技術者向けカリキュレータ」(「Passive\Find Voltage Divider」) を使用して、分圧器の標準値を求めます。
   
   
4. 「計装アンプの同相入力電圧範囲を計算」を使用して、INA826 が同相電圧範囲を逸脱しているかどうか判断します。
   

DC 伝達特性

以下のグラフは、－5mV～＋15mVの入力に対する線形出力応答を示しています。この件の詳しい理論については、『計装アンプ使用時の SAR ADC の線形範囲の決定』を参照してください。INA826の出力がオペアンプの入力電圧範囲を超えた場合には、ESDダイオードがオンになり、入力を制限します。抵抗 R3 が入力電流を制限してアンプを損傷から守ります (「計装アンプ-オペアンプ間の過電圧保護フィルタ」を参照)。オペアンプの出力は ADS8860 の絶対最大定格の範囲内に収まっています (–0.3V < V_IN < REF +0.3V)。

AC 伝達特性

この構成での帯域幅のシミュレーション結果は11.45kHzです。この帯域幅では、SARコンバータを最高速度で駆動できません。この件の詳細については、TI プレシジョン ラボ ビデオ シリーズの『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

OPA320バッファ(20MHz)を使用する理由は、ADC8860における電荷のキックバックによる急激な過渡事象に応答する能力があるからです。このようなシミュレーションは、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、『Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection』を参照してください。

ノイズ シミュレーション

簡易なノイズ計算を用いて概算します。計装アンプが高ゲインであることから、そのノイズが支配的になるため、OPA192のノイズは無視します。

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。アンプ ノイズ計算の詳しい理論については、『TI Precision Labs - Op Amps：Noise 4』(英語) を、データ コンバータのノイズについては『Calculating the Total Noise for ADC Systems』(英語) を参照してください。

計装アンプ-オペアンプ間の過電圧保護フィルタ

INA826とOPA320の間のフィルタは2つの目的を果たします。1つはOPA320を過電圧から保護すること、もう1つはノイズまたはアンチエイリアシング フィルタとして動作することです。通常状態で出力が OPA320 の範囲内 (すなわち 0V～5V) に収まるように INA826 のゲインを増減します。このため、通常、OPA320の入力に印加される過電圧信号は確認されません。ただし、電源投入時やセンサ切断時には、INA826 の出力がいずれかの電源レール (すなわち ±15V) に達することがあります。過電圧の場合には、抵抗 (R3) が OPA320 に流れ込む電流を制限して保護します。過電圧事象に際しては OPA320 に内蔵されている ESD ダイオードがオンになり、過電圧信号を正 / 負電源に送ります。以下の例では、過電圧信号が正電源に送られ、過渡電圧サプレッサ (D₁、SMAJ5.0A) がオンになって電流をシンクしています。抵抗値を増やして、OPA320の絶対最大入力電流(10mA)まで電流を制限しています。この件の詳細については、『TI Precision Labs - Op Amps: Electrical Overstress (EOS)』を参照してください。

オプションの入力フィルタ

以下の図は、よく使用されている計装アンプの入力フィルタを示しています。差動ノイズは C_dif でフィルタ処理され、同相ノイズは C_cm1 および C_cm2 でフィルタ処理されます。なお、C_dif ≥ 10C_cm とすることを推奨します。これにより、部品の許容差が原因で同相ノイズが差動ノイズに変換されるのを防止できます。以下のフィルタは、15kHzの差動カットオフ周波数用に設計されています。

使用デバイス

主要なファイルへのリンク

テキサス・インスツルメンツ、SBAC184 用のソース ファイル、ソフトウェア サポート