設計目標

設計の説明

一部の MSP430™ マイコン (MCU) は、オペアンプ、DAC、プログラマブル ゲイン段など、構成可能な統合型信号チェーン要素を内蔵しています。これらの要素は、スマート アナログ コンボ (SAC) というペリフェラルを形成しています。さまざまな種類の SAC の詳細や、構成可能アナログ シグナル チェーン機能を活用する方法については、ビデオ『MSP430 マイコンのスマート アナログ コンボ』をご覧ください。設計を開始するには、MSP430 トランスインピーダンス アンプ回路の設計ファイルをダウンロードしてください。

このトランスインピーダンス オペアンプ回路構成は、入力電流ソースを出力電圧に変換します。電流から電圧へのゲインは、帰還抵抗に基づきます。この回路は、入力電流が変化しても、入力信号源の両端間で一定の電圧バイアスを維持できるので、多くのセンサにとって役に立ちます。MSP430FR2311 のトランスインピーダンス アンプ (TIA) モジュールの特性は、この機能に特に適しています。ただし、この回路は MSP430FR2311 を使用して実装することや、追加の内蔵 DAC 機能と PGA 機能を搭載した MSP430FR2355 を使用して実装することもできます。これらの内蔵アンプの出力を、オンボード ADC を使用して直接サンプリングすること、またはオンボード コンパレータを使用して監視したうえでマイコン内部でさらに処理を進めることもできます。

デザイン ノート

• 入力バイアス電流の低いオペアンプにより、DC 誤差が減少します。
• 0Aの入力電流に対する出力電圧を設定するため、非反転入力にバイアス電圧を追加できます。MSP430FR2355 SAC_L3 に内蔵された 12 ビット DAC をこの目的で使用できます。
• 非線形誤差を最小限に抑えるため、リニア出力電圧スイングの範囲内 (A_ol 仕様を参照) で使用してください。
• MSP430FR2311 を使用して修正を実装する場合、この回路は、トランスインピーダンス アンプ (TIA) モジュールまたは SAC_L1 によって実現できます。
• MSP430FR2355 SAC_L3 を使用して修正を実装する場合は、オペアンプを汎用モードに構成する必要があります。
• MSP430 トランスインピーダンス アンプ回路の設計ファイルには、ペリフェラルを適切に初期化する方法を示すサンプル コードが付属しています。

設計手順

1. ゲイン抵抗を選択します。
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{\mathrm{I}}_{\mathrm{iMax}}}=\frac{3.2\mathrm{V}-0.2\mathrm{V}}{30\mathrm{\mu A}}=100\mathrm{k\Omega }$
2. 回路の帯域幅を満たすよう、帰還コンデンサを選択します。
   ${\mathrm{C}}_1\le \frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_1\times {\mathrm{f}}_{\mathrm{p}}}$
   ${\mathrm{C}}_1\le \frac{1}{2\times \mathrm{\pi }\times 100\mathrm{k\Omega }\times 10\mathrm{kHz}}\le 159\mathrm{pF}\approx 150\mathrm{pF}\text{ (Standard Value)}$
3. 回路が安定するために必要な、オペアンプのゲイン帯域幅(GBW)を計算します。
   $\mathrm{GBW}>\frac{{\mathrm{C}}_{\mathrm{in}}+{\mathrm{C}}_1}{2\times \mathrm{\pi }\times {\mathrm{R}}_1\times {{\mathrm{C}}_1}^2}>\frac{7\mathrm{pF}+150\mathrm{pF}}{2\times \mathrm{\pi }\times 100\mathrm{k\Omega }\times {\left(150\mathrm{pF}\right)}^2}>11.10\mathrm{kHz}$

設計シミュレーション

DC シミュレーション結果

AC シミュレーション結果

ターゲット アプリケーション

• 煙および熱検出器
• ガス検出器
• モーション センサ
• パルス オキシメータ (血中酸素飽和度計)
• 血糖値測定器

設計の参照資料

1. テキサス・インスツルメンツ、『MSP430 トランスインピーダンス アンプ』、サンプル コードおよび SPICEシミュレーション ファイル
2. テキサス・インスツルメンツ、『MSP430FR2311 16MHz 内蔵型アナログ マイクロコントローラ、3.75KB FRAM、オペアンプ、TIA (トランスインピーダンス アンプ)、DAC 搭載コンパレータ、10 ビット ADC 付き、』製品ページ
3. テキサス・インスツルメンツ、『MSP430 MCU スマート アナログ コンボ』、ビデオ

設計に使用されているオペアンプ

設計の代替オペアンプ

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