10MHz、20V/μs、ゲイン 1/10/100/1000に 設定可能なiCMOS 計装アンプ AD8253 重要なアプリケーションに対する優れたソリューションになっ ています。 特長 小型パッケージ: 10 ピン MSOP 設定可能なゲイン: 1、10、100、1000 機能ブロック図 デジタル設定またはピン設定可能なゲイン 広い電源電圧範囲: ±5 V～±15 V 優れた DC 性能 DGND WR 2 高い CMRR: 100 dB (最小)、G = 100 A1 A0 5 4 6 LOGIC –IN 1 低ゲイン・ドリフト: 10 ppm/°C (最大) 低オフセット・ドリフト: 1.2 μV/°C (最大)、G = 1000 優れた AC 性能 7 OUT 高速セトリング・タイム: 0.001%へ 780 ns (最大) 高いスルー・レート: 20 V/µs (最小) +IN 10 低歪み: 1 kHz、10 V 振幅で−110 dB THD 低ノイズ: 10 nV/√Hz、G = 1000 (最大) 低消費電力: 4 mA 8 3 9 +VS –VS REF 06983-001 AD8253 全周波数で高い CMRR : 20 kHz まで 100 dB (最小) 図 1. アプリケーション データ・アクイジッション 80 生物医学解析 70 テストおよび計測 60 G = 1000 50 概要 GAIN (dB) G = 100 AD8253 は、デジタル的に設定可能なゲインを持つ計装アンプ であり、ギガオーム (GΩ) の入力インピーダンス、低出力ノイ ズ、低歪みを持つため、センサーとのインターフェースや高い サンプル・レートの A/D コンバータ (ADC)の駆動に適していま す。 AD8253 のユーザ・インターフェースは、2 つの方法でゲインの 設定を可能にするパラレル・ポートから構成されています (機能 ブロック図は図 1 参照)。バスを経由して送信された 2 ビット・ ワードは、WR 入力を使ってラッチされます。もう 1 つは、ト ランスペアレント・ゲイン・モードを使用する方法で、 ゲイ ン・ポートのロジック・レベルの状態でゲインを指定します。 30 G = 10 20 10 G=1 0 –10 –20 1k 10k 100k 1M FREQUENCY (Hz) 10M 100M 006983-023 また、10 MHz の広い帯域幅、−110 dB の低 THD、0.001%へ 780 ns (最大)の高速セトリング・タイムを持っています。オフセッ ト ・ ド リ フト と ゲイ ン ・ ドリ フ トは 、 G = 1000 で それ ぞ れ 1.2 μV/°C と 10 ppm/°C が保証されています。広い入力同相電圧範 囲の他に、G = 1000、DC～20 kHz で 100 dB の高い同相モード除 去比を持っています。AD8253 は、高精度 DC 性能と高速機能の 組み合わせにより、データ・アクイジションでの優れた候補に なっています。さらに、このモノリシック・ソリューションは デザインと製造を簡素化し、内部抵抗とアンプの厳格なマッチ ングを維持することにより、計装性能を強化します。 40 図 2.ゲインの周波数特性 表 1.計装アンプの分類 General Purpose AD82201 AD8221 AD8222 AD82241 Zero Drift AD82311 AD85531 AD85551 AD85561 Mil Grade AD620 AD621 AD524 AD526 AD8228 AD85571 AD624 1 Low Power AD6271 AD6231 AD82231 High Speed PGA AD8250 AD8251 AD8253 レール to レール出力。 AD8253 は 10 ピン MSOP パッケージを採用し、−40°C～+85°C の温度範囲で仕様が規定されているため、サイズと実装密度が Rev. A アナログ・デバイセズ社は、提供する情報が正確で信頼できるものであることを期していますが、その情報の利用に 関して、あるいは利用によって生じる第三者の特許やその他の権利の侵害に関して一切の責任を負いません。また、 アナログ・デバイセズ社の特許または特許の権利の使用を明示的または暗示的に許諾するものでもありません。仕様 は、予告なく変更される場合があります。本紙記載の商標および登録商標は、各社の所有に属します。 ※日本語データシートは REVISION が古い場合があります。最新の内容については、英語版をご参照ください。 ©2008 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 本 社／〒105-6891 東京都港区海岸 1-16-1 ニューピア竹芝サウスタワービル 電話 03（5402）8200 大阪営業所／〒532-0003 大阪府大阪市淀川区宮原 3-5-36 新大阪 MT ビル 2 号 電話 06（6350）6868 AD8253 目次 特長 ...................................................................................................... 1 電源のレギュレーションとバイパス ........................................ 18 アプリケーション .............................................................................. 1 入力バイアス電流のリターン・パス ........................................ 18 概要 ...................................................................................................... 1 入力保護 ....................................................................................... 18 機能ブロック図 .................................................................................. 1 リファレンス・ピン .................................................................... 19 改訂履歴 .............................................................................................. 2 同相モード入力電圧範囲 ............................................................ 19 仕様 ...................................................................................................... 3 レイアウト.................................................................................... 19 タイミング図 .................................................................................. 5 RF 干渉 .......................................................................................... 19 絶対最大定格 ...................................................................................... 6 A/D コンバータの駆動 ................................................................ 20 最大消費電力 .................................................................................. 6 アプリケーション情報 .................................................................... 21 ESD の注意 ..................................................................................... 6 差動出力 ....................................................................................... 21 ピン配置およびピン機能説明........................................................... 7 マイクロコントローラによるゲイン設定 ................................ 21 代表的な性能特性 .............................................................................. 8 データ・アクイジション ............................................................ 22 動作原理 ............................................................................................ 16 外形寸法 ............................................................................................ 23 ゲインの選択 ................................................................................ 16 オーダー・ガイド ........................................................................ 23 改訂履歴 8/08—Rev. 0 to Rev. A Changes to Ordering Guide ................................................................ 23 7/08—Revision 0: Initial Version Rev. A － 2/23 － AD8253 仕様 特に指定のない限り、+VS = +15 V、−VS = −15 V、VREF = 0 V、TA = 25°C、G = 1、RL = 2 kΩ。 表 2. Parameter Conditions Min Typ Max Unit G=1 80 100 dB G = 10 96 120 dB G = 100 100 120 dB G = 1000 100 120 dB COMMON-MODE REJECTION RATIO (CMRR) CMRR to 60 Hz with 1 kΩ Source Imbalance CMRR to 20 kHz1 G=1 +IN = −IN = −10 V to +10 V +IN = −IN = −10 V to +10 V 80 dB G = 10 96 dB G = 100 100 dB G = 1000 100 dB NOISE Voltage Noise, 1 kHz, RTI G=1 45 nV/√Hz G = 10 12 nV/√Hz G = 100 11 nV/√Hz G = 1000 10 nV/√Hz G=1 2.5 μV p-p G = 10 1 μV p-p G = 100 0.5 μV p-p G = 1000 0.5 μV p-p 0.1 Hz to 10 Hz, RTI Current Noise, 1 kHz 5 pA/√Hz Current Noise, 0.1 Hz to 10 Hz 60 pA p-p VOLTAGE OFFSET G = 1, 10, 100, 1000 ±150 + 900/G μV Over Temperature T = −40°C to +85°C ±210 + 900/G μV Average TC T = −40°C to +85°C ±1.2 + 5/G μV/°C VS = ±5 V to ±15 V ±5 + 25/G μV/V 50 nA 60 nA 400 pA/°C 40 nA Offset RTI VOS Offset Referred to the Input vs. Supply (PSR) INPUT CURRENT Input Bias Current Over Temperature2 Average TC 5 T = −40°C to +85°C 40 T = −40°C to +85°C Input Offset Current 5 Over Temperature T = −40°C to +85°C 40 nA Average TC T = −40°C to +85°C 160 pA/°C DYNAMIC RESPONSE Small-Signal −3 dB Bandwidth G=1 10 MHz G = 10 4 MHz G = 100 550 kHz G = 1000 60 kHz Settling Time 0.01% ΔOUT = 10 V step G=1 700 ns G = 10 680 ns G = 100 1.5 μs G = 1000 14 μs G=1 780 ns G = 10 880 ns G =100 1.8 μs Settling Time 0.001% Rev. A ΔOUT = 10 V step － 3/23 － AD8253 Parameter Conditions Min Typ G = 1000 Max Unit 1.8 μs Slew Rate G=1 20 V/μs G = 10 20 V/μs G = 100 12 V/μs G = 1000 2 Total Harmonic Distortion + Noise f = 1 kHz, R L = 10 kΩ, ±10 V, G = 1, 10 Hz to 22 kHz band-pass filter V/μs −110 dB GAIN Gain Range Gain Error 1000 V/V G=1 0.03 % G = 10, 100, 1000 0.04 % Gain Nonlinearity G = 1, 10, 100, 1000 OUT = ±10 V 1 OUT = −10 V to +10 V G=1 RL = 10 kΩ, 2 kΩ, 600 Ω 5 ppm G = 10 RL = 10 kΩ, 2 kΩ, 600 Ω 3 ppm G = 100 RL = 10 kΩ, 2 kΩ, 600 Ω 18 ppm G = 1000 RL = 10 kΩ, 2 kΩ, 600 Ω 110 ppm 10 ppm/°C Gain vs. Temperature All gains 3 INPUT Input Impedance Differential 4||1.25 Common Mode 1||5 GΩpF Input Operating Voltage Range VS = ±5 V to ±15 V −VS + 1 +VS − 1.5 GΩpF V Over Temperature3 T = −40°C to +85°C −VS + 1.2 +VS − 1.7 V −13.7 +13.6 V −13.7 +13.6 V OUTPUT Output Swing Over Temperature4 Short-Circuit Current T = −40°C to +85°C 37 mA REFERENCE INPUT RIN IIN kΩ 20 +IN, −IN, REF = 0 −VS Voltage Range Gain to Output 1 μA +VS V 1 ± 0.0001 V/V DIGITAL LOGIC Digital Ground Voltage, DGND Referred to GND Digital Input Voltage Low Referred to GND −VS + 4.25 DGND Digital Input Voltage High Digital Input Current Referred to GND 1.5 Gain Switching Time5 tSU 0 +VS − 2.7 V 1.2 V +VS V μA 325 ns 1 See Figure 3 timing diagram 15 ns tHD 30 ns t WR-LOW 20 ns t WR-HIGH 15 ns POWER SUPPLY Operating Range ±15 V Quiescent Current, +I S 4.6 5.3 mA Quiescent Current, −I S 4.5 5.3 mA 6 mA +85 °C Over Temperature ±5 T = −40°C to +85°C TEMPERATURE RANGE −40 Specified Performance 1 周波数に対する代表的性能の詳細については、図 20 の CMRR 対周波数を参照してください。 Rev. A － 4/23 － AD8253 2 温度に対する入力バイアス電流: 高温で最大、低温で最小。 3 入力電圧制限値対電源電圧および温度については、図 30 を参照してください。 4 さまざまな負荷での出力電圧振幅対電源電圧および温度については図 32、図 33、図 34 を参照してください。 5 ゲイン変更の合計時間を計算するときは、出力のスリューとセトリングに必要な時間を加算します。 タイミング図 tWR-HIGH tWR-LOW WR tHD 06983-003 tSU A0, A1 図 3.ラッチ・ゲイン・モードのタイミング図 ( ラッチ・ゲイン・モードのタイミング のセクション参照) Rev. A － 5/23 － AD8253 絶対最大定格 静止電力は、電源ピン(VS)間の電圧に静止電流(IS)を乗算して 計算されます。負荷(RL)は電源電圧の中点を基準とすると仮定 すると、合計駆動電力は VS/2×IOUT になり、この電力がパッケ ージ内と負荷(VOUT×IOUT)で消費されます。 表 3. Parameter Rating Supply Voltage ±17 V Power Dissipation See Figure 4 Output Short-Circuit Current Indefinite1 Common-Mode Input Voltage ±VS Differential Input Voltage ±VS Digital Logic Inputs ±VS Storage Temperature Range Operating Temperature Range2 –65°C to +125°C –40°C to +85°C Lead Temperature (Soldering 10 sec) 300°C Junction Temperature 140°C θJA (4-Layer JEDEC Standard Board) 112°C/W Package Glass Transition Temperature 140°C 1 2 合計駆動電力と負荷電力の差が、パッケージ内で消費される駆 動電力です。 PD =静止電力 + (合計駆動電力 −負荷電力) V V 2 V PD V S I S S OUT – OUT 2 RL RL -VS を基準とする RL を使う単電源動作では、ワースト・ケース は VOUT = VS /2 となります。 強制空冷により熱放散が大きくなるため、θJA が小さくなります。 また、メタル・パターン、スルー・ホール、グラウンド・プレ ーン、電源プレーンとパッケージ・ピンが直接接触する場合、 これらのメタルによってもθJA が小さくなります。 負荷は電源中央値を基準とします。 図 4 に、パッケージ内の安全な最大消費電力と JEDEC 標準 4 層 ボードの周囲温度との関係を示します。 性能規定の温度は −40°C～+85°C。 +125°C の性能については、代表的 な性能特性 のセクションを参照してください。 2.00 最大消費電力 AD8253 のパッケージ内での安全な最大消費電力は、チップのジ ャンクション温度(TJ)上昇により制限されます。チップをプラ スチック封止すると、局所的にジャンクション温度に到達しま す。約 140℃のガラス遷移温度で、プラスチックの属性が変わ ります。この温度規定値を一時的に超えた場合でも、パッケー ジからチップに加えられる応力が変化して、AD8253 のパラメ ータ性能を永久的にシフトさせてしまうことがあります。140℃ のジャンクション温度を長時間超えると、シリコン・デバイス 内に変化が発生して、故障の原因になることがあります。 1.50 1.25 1.00 0.75 0.50 0.25 0 –40 –20 0 20 40 60 80 AMBIENT TEMPERATURE (°C) 100 120 図 4.最大消費電力対周囲温度 ESD の注意 パッケージと PCB (θJA)の自然空冷時の熱特性、周囲温度(TA)、 パッケージ(PD)内の合計消費電力によって、チップのジャンク ション温度が決定されます。ジャンクション温度は次式で計算 されます。 T J T A PD θ JA パッケージ内の消費電力(PD)は、静止消費電力と全出力での負 荷駆動に起因するパッケージ内の消費電力との和になります。 Rev. A 1.75 06983-004 MAXIMUM POWER DISSIPATION (W) 上記の絶対最大定格を超えるストレスを加えるとデバイスに恒 久的な損傷を与えることがあります。この規定はストレス定格 の規定のみを目的とするものであり、この仕様の動作の節に記 載する規定値以上でのデバイス動作を定めたものではありませ ん。デバイスを長時間絶対最大定格状態に置くとデバイスの信 頼性に影響を与えます。 － 6/23 － ESD（静電放電）の影響を受けやすいデバイスで す。 電荷を帯びたデバイスや回路ボードは、検知 されないまま放電することがあります。本製品は 当社独自の特許技術である ESD 保護回路を内蔵 してはいますが、デバイスが高エネルギーの静電 放電を被った場合、損傷を生じる可能性がありま す。したがって、性能劣化や機能低下を防止する ため、ESD に対する適切な予防措置を講じるこ とをお勧めします。 AD8253 ピン配置およびピン機能説明 –IN 1 DGND 2 AD8253 10 +IN 9 REF 8 +VS TOP VIEW A0 4 (Not to Scale) 7 OUT A1 5 6 WR 06983-005 –VS 3 図 5.10 ピン MSOP (RM-10)のピン配置 表 4.ピン機能の説明 ピン番号 記号 説明 1 −IN 反転入力ピン。偽差動入力。 2 DGND デジタル・グラウンド。 3 −VS 負電源ピン。 4 A0 ゲイン設定ピン (LSB)。 5 A1 ゲイン設定ピン (MSB)。 6 WR ライト・イネーブル。 7 出力 出力ピン。 8 +VS 正電源ピン。 9 REF リファレンス電圧ピン。 10 +IN 非反転入力ピン。真差動入力。 Rev. A － 7/23 － AD8253 代表的な性能特性 特に指定のない限り、TA = 25°C、+VS = +15 V、−VS = −15 V、RL = 10 kΩ。 240 NUMBER OF UNITS 210 180 150 120 90 60 0 –60 –40 –20 0 20 40 60 INPUT OFFSET CURRENT (nA) 図 6.CMRR(Typ)の分布、G = 1 図 9.入力オフセット電流(Typ)の分布 図 10.電圧スペクトル密度ノイズの周波数特性 図 7.オフセット電圧(Typ)の分布、VOSI NUMBER OF UNITS 300 250 200 150 50 –90 –60 –30 0 30 60 INPUT BIAS CURRENT (nA) 90 図 11.0.1 Hz～10 Hz の RTI 電圧ノイズ、G = 1 図 8.入力バイアス電流(Typ)の分布 Rev. A 1s/DIV 06983-008 2µV/DIV 0 06983-011 100 － 8/23 － 06983-009 30 AD8253 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0.01 0.1 1 WARM-UP TIME (Minutes) 図 15.入力オフセット電圧変化対ウォームアップ時間、G = 1000 図 12.0.1 Hz～10 Hz の RTI 電圧ノイズ、G = 1000 18 16 NOISE (pA/√Hz) 14 12 10 8 6 4 1 10 100 1k 10k 100k FREQUENCY (Hz) 06983-013 2 0 図 16.正 PSRR の周波数特性、RTI 1s/DIV 06983-014 図 13.電流ノイズ・スペクトル密度の周波数特性 140pA/DIV 図 14.0.1 Hz～10 Hz の電流ノイズ Rev. A 10 06983-015 06983-012 1s/DIV 500nV/DIV CHANGE IN INPUT OFFSET VOLTAGE (µV) 20 図 17.負 PSRR の周波数特性、RTI － 9/23 － AD8253 図 18.入力バイアス電流およびオフセット電流対同相モード電圧 図 21.CMRR の周波数特性、1 kΩ ソース不平衡 15 10 CMRR (µV/V) 5 0 –5 –15 –50 –30 –10 10 30 50 70 90 110 130 TEMPERATURE (°C) 06983-022 –10 図 22.CMRR の温度特性、G = 1 図 19.入力バイアス電流およびオフセット電流の温度特性 80 70 G = 1000 60 50 GAIN (dB) G = 100 40 30 G = 10 20 10 G=1 0 –20 1k 100k 1M FREQUENCY (Hz) 10M 図 23.ゲインの周波数特性 図 20.CMRR の周波数特性 Rev. A 10k － 10/23 － 100M 006983-023 –10 40 400 30 300 NONLINEARITY (10 ppm/DIV) 20 10 0 –10 –20 –200 –6 –4 –2 0 2 4 6 8 10 –400 –10 30 12 INPUT COMMON-MODE VOLTAGE (V) 16 20 10 0 –10 –20 –30 –4 –2 0 2 4 6 8 10 OUTPUT VOLTAGE (V) 8 –2 INPUT COMMON-MODE VOLTAGE (V) NONLINEARITY (10ppm/DIV) 40 20 0 –20 –40 –14.1V, +7.3V –4V, +1.9V 0 –4V, –1.9V 0 2 4 6 8 10 +3.8V, –1.9V –8 0V, –4.2V –14.1V, –7.3V +13.8V, –7.3V –12 0V, –14.2V –12 –8 –4 0 4 8 12 16 0V, +13.7V 12 VS ±15V 8 –14.4V, +6V 0V, +3.8V +14.1V, +6V 4 –4.3V, +2V +4.3V, +2V VS = ±5V 0 –4.3V, –2V +4.3V, –2V –4 +14.1V, –6V 0V, –4.2V –14.4V, –6V –8 –12 0V, –14.1V –12 –8 –4 0 4 OUTPUT VOLTAGE (V) 8 12 16 図 29.入力同相モード電圧範囲対出力電圧、G = 1000 図 26.ゲイン非直線性、G = 100、RL = 10 kΩ、2 kΩ、600 Ω Rev. A +3.8V, +1.9V VS = ±5V –4 –16 –16 06983-026 –2 10 +13.8V, +7.3V 0V, +3.8V –60 OUTPUT VOLTAGE (V) 8 図 28.入力同相モード電圧範囲対出力電圧、G = 1 60 –4 6 VS, ±15V 16 –6 4 0V, +13.9V 80 –8 2 OUTPUT VOLTAGE (V) 図 25.ゲイン非直線性、G = 10、RL = 10 kΩ、2 kΩ、600 Ω –80 –10 0 4 –16 –16 06983-025 –6 –4 図 27.ゲイン非直線性、G = 1000、RL = 10 kΩ、2 kΩ、600 Ω 40 –8 –6 OUTPUT VOLTAGE (V) 図 24.ゲイン非直線性、G = 1、RL = 10 kΩ、2 kΩ、600 Ω –40 –10 –8 06983-028 –8 OUTPUT VOLTAGE (V) NONLINEARITY (10ppm/DIV) 0 –100 –300 06983-024 –40 –10 100 06983-027 –30 200 06983-029 NONLINEARITY (10ppm/DIV) AD8253 － 11/23 － AD8253 図 30.入力電圧制限値対電源電圧、G = 1、VREF = 0 V、RL = 10 kΩ 図 33.出力電圧振幅対電源電圧、G =1000、RL = 10 kΩ 図 31.故障電流対入力電圧、G = 1000、RL = 10 kΩ 図 34.出力電圧振幅対負荷抵抗 図 32.出力電圧振幅対電源電圧、G = 1000、RL = 2 kΩ 図 35.出力電圧振幅対出力電流 Rev. A － 12/23 － AD8253 5V/DIV NO LOAD 47pF 100pF 1392ns TO 0.01% 1712ns TO 0.001% 2µs/DIV 2µs/DIV TIME (µs) 06983-039 20mV/DIV 06983-036 0.002%/DIV 図 39.大信号パルス応答とセトリング・タイム, G = 100、RL = 10 kΩ 図 36.さまざまな容量負荷での小信号過渡応答、G = 1 5V/DIV 5V/DIV 12.88µs TO 0.01% 16.64µs TO 0.001% 664ns TO 0.01% 744ns TO 0.001% 0.002%/DIV TIME (µs) 10µs/DIV 06983-037 2µs/DIV TIME (µs) 図 37.大信号パルス応答とセトリング・タイム、G = 1、RL = 10 kΩ 06983-040 0.002%/DIV 図 40.大信号パルス応答とセトリング・タイム, G = 1000、RL = 10 kΩ 5V/DIV 656ns TO 0.01% 840ns TO 0.001% 20mV/DIV 図 41.小信号応答、 G = 1、RL = 2 kΩ、CL = 100 図 38.大信号パルス応答とセトリング・タイム, G = 10、RL = 10 kΩ Rev. A 2µs/DIV － 13/23 － 06983-041 2µs/DIV TIME (µs) 06983-038 0.002%/DIV AD8253 1400 1200 1000 TIME (ns) SETTLED TO 0.001% 800 600 SETTLED TO 0.01% 400 200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 STEP SIZE (V) 図 42.小信号応 G = 10、RL = 2 kΩ、CL = 100 pF 06983-045 2µs/DIV 06983-042 20mV/DIV 図 45.セトリング・タイム対ステップ・サイズ G = 1、RL = 10 kΩ 1400 1200 TIME (ns) 1000 SETTLED TO 0.001% 800 SETTLED TO 0.01% 600 400 200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 STEP SIZE (V) 図 43.小信号応答 G = 100、RL = 2 kΩ、CL = 100 pF 06983-046 20µs/DIV 06983-043 20mV/DIV 図 46.セトリング・タイム対ステップ・サイズ G = 10、RL = 10 kΩ 2000 SETTLED TO 0.001% 1800 1600 1400 TIME (ns) SETTLED TO 0.01% 1200 1000 800 600 400 200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 STEP SIZE (V) 図 44.小信号応答 G = 1000、RL = 2 kΩ、CL = 100 pF Rev. A 図 47.セトリング・タイム対ステップ・サイズ G = 100、RL = 10 kΩ － 14/23 － 06983-047 20µs/DIV 06983-044 20mV/DIV AD8253 0 20 –10 18 SETTLED TO 0.001% –20 16 –30 –40 THD + N (dB) 12 SETTLED TO 0.01% 10 8 G = 100 –70 G = 10 –100 2 –110 0 –120 10 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 –20 –30 –40 –50 G = 1000 –70 G = 100 –90 G = 10 –100 G=1 100 1k 10k FREQUENCY (Hz) 100k 1M 06983-049 –110 –120 10 1k 10k 100k 1M 図 50.総合高調波歪みの周波数特性 10 Hz～500 kHz のバンドパス・フィルタ、2 kΩ 負荷 –10 –80 100 FREQUENCY (Hz) 図 48.セトリング・タイム対ステップ・サイズ G = 1000、RL = 10 kΩ –60 G=1 06983-050 –90 4 STEP SIZE (V) THD + N (dB) G = 1000 –60 6 2 図 49.総合高調波歪みの周波数特性、 10 Hz～22 kHz のバンドパス・フィルタ、2 kΩ 負荷 Rev. A –50 –80 06983-048 TIME (µs) 14 － 15/23 － AD8253 動作原理 +VS +VS A0 A1 2.2kΩ –VS +VS –VS 1.2kΩ –IN 10kΩ 10kΩ A1 –VS +VS DIGITAL GAIN CONTROL OUT A3 –VS +VS +VS 10kΩ 1.2kΩ 10kΩ A2 REF +IN +VS –VS –VS +VS 2.2kΩ –VS 06983-061 DGND WR –VS 図 51.簡略化した回路図 AD8253 は従来型の 3 オペアンプ構成をベースとするモノリシッ ク計装アンプです(図 51 参照)。アナログ・デバイセズの独自な iCMOS®プロセスにより製造され、高精度の直線性と強固なデジ タル・インターフェースを提供します。パラレル・インターフ ェースを使うと、デジタル的に 1、10、100、1000 のゲインを設 定することができます。ゲイン制御は、内部の高精度抵抗アレ イ内で抵抗を切り替えることにより行われます (図 51 参照)。 イ・レベルの間で変化すると、直ちにゲインが変化します。 表 5 にトランスペアレント・ゲイン・モードの真理値を、図 52 に トランスペアレント・ゲイン・モードで設定された AD8253 を、 それぞれ示します。 すべての内部アンプは歪み相殺回路を採用しているため、高い 直線性と極めて低い THD を実現しています。抵抗のレーザー・ トリムにより、最大ゲイン誤差は G = 1 で 0.03%以下、最小 CMRR は G = 1000 で 100 dB を実現しています。周波数に対して 高い CMRR になるようにピン配置が最適化されているため、 AD8253 は周波数に対して 20 kHz (G = 1) で 80 dB の最小 CMRR を保証します。バランスのとれた入力により、これまで CMRR 性能に悪影響を与えていた寄生を減少させています。 ゲインの選択 このセクションでは、AD8253 の基本動作を設定する方法につ いて説明します。ロジック・ロー・レベルとハイ・レベルの電 圧規定値の一覧を仕様のセクションに記載します。一般に、ロ ジック・ロー・レベルは 0 V で、ロジック・ハイ・レベルは 5 V です。両電圧は DGND を基準として測定されます。DGND の 許容電圧範囲については、仕様の表 (表 2)を参照してください。 AD8253 のゲインは、トランスペアレント・ゲイン・モードと ラッチ・ゲイン・モードの 2 つの方法で設定することができま す。モードに無関係に、A0 ピンと A1 ピンの電圧を決めるため には、プルアップ抵抗またはプルダウン抵抗を使用する必要が あります。 トランスペアレント・ゲイン・モード ゲインを設定する最も容易な方法は、ロジック・ハイ・レベル またはロジック・ロー・レベル電圧を A0 と A1 に直接設定する ことです。 図 52 に、このゲイン設定方法の例を示します。この 方法をこのデータシートではトランスペアレント・ゲイン・モ ードと呼びます。 WR を負電源に接続して、トランスペアレン ト・ゲイン・モードを維持します。このモードでは、A0 と A1 に加えられた電圧がロジック・ロー・レベルとロジック・ハ Rev. A 図 52.トランスペアレント・ゲイン・モード、A0 および A1 = High、 G = 1000 表 5.トランスペアレント・ゲイン・モードのロジック・レベル 真理値表 WR A1 A0 Gain −VS −VS −VS −VS Low Low High High Low High Low High 1 10 100 1000 ラッチ・ゲイン・モード アプリケーションによっては、マルチプレクサやその他のプロ グラマブルなゲインを持つ計装アンプなどのプログラマブルな デバイスを同じ PCB 上に複数持つ場合があります。このような － 16/23 － AD8253 場合、デバイスはデータ・バスを共用することができます。 AD8253 のゲインは、 WR をラッチとして使って設定することが できので、他のデバイスと A0 および A1 を共用することができ ます。 図 53 に、この方法を使った回路図を示します。この方法 をラッチ・ゲイン・モードと呼びます。 WR がロジック・ハ イ・レベルまたはロジック・ロー・レベル(それぞれ 5 V と 0 V) のとき、AD8253 はこのモードになります。 WR 信号がロジッ ク・ハイ・レベルからロジック・ロー・レベルへ変化するとき の立ち下がりエッジで、A0 と A1 の電圧が読み出されます。こ れにより、A0 と A1 のロジック・レベルをラッチして、ゲイン が変化します。これらのゲイン変化の詳細については、表 6 の 真理値表を参照してください。 表 6.ラッチ・ゲイン・モードのロジック・レベル真理値表 WR A1 A0 Gain High to Low High to Low High to Low High to Low Low to Low Low to High High to High Low Low High High X1 X1 X1 Low High Low High X1 X1 X1 Change to 1 Change to 10 Change to 100 Change to 1000 No change No change No change 1 X = don’t care. パワーアップ時、ラッチ・ゲイン・モードで AD8253 はデフォ ルトでゲイン = 1 に設定されます。これに対して、トランスペ アレント・ゲイン・モードで AD8253 を設定する場合は、パワ ーアップ時に A0 と A1 の電圧レベルで指定されたゲインで動作 を開始します。 ラッチ・ゲイン・モードのタイミング ラッチ・ゲイン・モードでは、A0 と A1 のロジック・レベルを 最小セットアップ・タイム tSU 間維持した後、 WR 立ち下がりエ ッジでゲインをラッチします。同様に、 WR の立ち下がりエッ ジの後、両信号を最小ホールド・タイム tHD 間維持して、ゲイン が正しくラッチされるようにする必要があります。tHD 後、A0 と A1 はロジック・レベルを変化させることができますが、ゲイ ンはWR の次の立ち下がりエッジまで変化させることはできませ ん。 WR をハイ・レベルに維持できる最小継続時間は t WR -HIGH で、 t WR -LOW は WR をロー・レベルに維持できる最小継続時間 です。デジタル・タイミング仕様を 表 2 に示します。ゲイン変 化に必要な時間は、アンプのセトリング・タイムにより支配さ れます。タイミング図を図 54 に示します。 図 53.ラッチ・ゲイン・モード、G = 1000 データ・バスを他のデバイスと共用する場合、これらのデバイ スに加えられるロジック・レベルが AD8253 の出力に混入する 可能性があります。ロジック信号のエッジ・レートを小さくす ることにより、この混入を減少させることができます。さらに、 PCB を注意深くレイアウトすると、ボードのデジタル部分とア ナログ部分の間の結合も小さくすることができます。 tWR-HIGH tWR-LOW WR tHD 06983-053 tSU A0, A1 図 54.ラッチ・ゲイン・モードのタイミング図 Rev. A － 17/23 － AD8253 INCORRECT 電源のレギュレーションとバイパス CORRECT +VS AD8253 は高い PSRR を持っていますが、最適性能を得るために は、安定な DC 電圧を使って、計装アンプに電源を供給する必 要があります。電源ピンのノイズは性能に悪影響を与えること があります。すべてのリニア回路の場合と同様に、バイパス・ コンデンサを使ってアンプをデカップリングする必要がありま す。 +VS AD8253 AD8253 REF REF –VS 0.1 µF のコンデンサを、各電源ピンのできるだけ近くに配置する 必要があります。10 µF のタンタル・コンデンサはデバイスから 離れて配置することができますが (図 55 参照) 、多くの場合、他 の高精度 IC と共用することができます。. –VS TRANSFORMER TRANSFORMER +VS +VS AD8253 AD8253 REF REF 10MΩ –VS –VS THERMOCOUPLE THERMOCOUPLE +VS +VS C C 1 fHIGH-PASS = 2πRC AD8253 C REF R AD8253 C REF –VS CAPACITIVELY COUPLED CAPACITIVELY COUPLED 図 55.グラウンドを基準とする電源デカップリング、REF、出力 06983-055 R –VS 図 56.IBIAS パスの用意 入力バイアス電流のリターン・パス AD8253 の入力バイアス電流には、ローカル・アナログ・グラ ウンドへのリターン・パスが必要です。熱電対のように信号源 がリターン電流パスを持っていない場合には、図 56 に示すよう に設けてやる必要があります。 Rev. A 入力保護 AD8253 のすべてのピンは、ESD に対して保護されています。 外付け抵抗を入力に直列に接続して、電源レールを 0.5 V 以上 超える電圧に対する電流を制限する必要があります。このよう な場合、AD8253 は室温で連続 6 mA の電流を安全に処理するこ とができます。AD8253 に非常に大きな過負荷電圧が入力される アプリケーションの場合には、外付け直列抵抗と、BAV199L、 FJH1100、または SP720 のような低リーク・ダイオード・クラ ンプを使う必要があります。 － 18/23 － AD8253 リファレンス・ピン リファレンス・ピン REF は、10 kΩ 抵抗の片端になっています (図 51 参照)。計装アンプの出力は、REF ピンの電圧を基準にし ています。これは、出力信号をローカル・アナログ・グラウン ド以外の電圧にオフセットさせる際に便利です。例えば、電圧 源を REF ピンに接続して、AD8253 が単電源の ADC とインター フェースできるように、出力をレベル・シフトさせることがで きます。許容リファレンス電圧範囲は、ゲイン、同相モード入 力、電源電圧の関数になります。REF ピンは、+VS または-VS を 0.5 V 以上超えることはできません。 最適性能を得るためには、特に出力が REF ピンを基準として測 定されない場合は、REF ピンへ接続されるソース・インピーダ ンスを小さく維持して、寄生抵抗が CMRR とゲイン精度に悪影 響を与えないようにする必要があります。 INCORRECT AD8253 の下にアナログ・グラウンド・プレーンを配置し ます。 高速なスイッチング信号は、デジタル・グラウンドでシー ルドしてボードの他の部分に対するノイズの放射を防止し ます。また、これらの信号はアナログ信号パスの近くを通 過しないようにします。 デジタル信号とアナログ信号の交差は回避する必要があり ます。 デジタル・グラウンドとアナログ・グラウンドを 1 点(一 般に ADC の下)でのみ接続します。 電源ラインに太いパターンを使って、低インピーダンス・ パスにします。デカップリングが必要です。電源のレギュ レーションとバイパス のセクションに記載するガイドラ インに従います。 CORRECT 同相モード除去比 AD8253 AD8253 は広い範囲の周波数に対して高い CMRR を持っている ため、ライン・ノイズとその高調波のような外乱に対する耐性 が、約 200 Hz で CMRR が低下する一般的な計装アンプより優 れています。これらのアンプにはこの欠点を補償するため入力 に同相モード・フィルタが必要となることがあります。AD8253 は広い周波数範囲で CMRR を阻止できるため、フィルタの必要 性は少なくなっています。 AD8253 VREF VREF + – 06983-056 OP1177 図 57.リファレンス電圧ピンの駆動 同相モード入力電圧範囲 AD82538 の 3 オペアンプ・アーキテクチャをゲインに使用して、 同相モード電圧を除去しています。このため、AD8253 の内部 ノードを増幅された信号と同相モード信号の組み合わせが通過 します。この組み合わせ信号は、各々の入力信号と出力信号が 存在しない場合でも、電圧電源により制限することができます。 図 28 と 図 29 に、種々の出力電圧と電源電圧に対する許容同相 モード入力電圧範囲を示します。 レイアウト グラウンド接続 ミックスド・シグナル回路では、低レベル・アナログ信号をノ イズの多いデジタル環境からアイソレーションする必要があり ます。これは AD8253 でも同様です。電源電圧はアナログ・グ ラウンドを基準とします。デジタル回路はデジタル・グラウン ドを基準とします。両グラウンドを 1 つのグラウンド・プレー ンに接続することは便利ですが、グラウンド配線と PC ボード を通過する電流が数百ミリボルトの誤差を発生させることがあ ります。したがって、アナログ・グラウンド・プレーンとデジ タル・グラウンド・プレーンを分離する必要があります。1 点 のスター・グラウンドでのみ、アナログ・グラウンドとデジタ ル・グラウンドが接続される必要があります。 最大のシステム性能を得るためにはボード・レイアウトを注意 深く行う必要があります。周波数に高い CMRR を対して維持す るためには、入力パターンを対称にレイアウトする必要がありま す。パターンの抵抗と容量のバランスを維持します。入力ピン とパターンの下に PCB メタル層を追加するとこれに役立ちます。 ソース抵抗と容量はできるだけ入力の近くに配置する必要があ ります。パターンが別の層からの入力と交差する場合には、入 力パターンと直交するように配置します。 RF 干渉 アンプが強い RF 信号が存在するアプリケーションで使われる 場合には、RF の整流がしばしば問題になります。外乱が小さい DC オフセット電圧として現れることがあります。高周波信号は、 計装アンプの入力にローパス RC 回路を接続して除去すること ができます(図 58 参照)。このフィルタは、次式の関係を使って 入力信号の帯域幅を制限します。 FilterFreqDIFF FilterFreqCM 1 2 π R( 2C D CC ) 1 2 π RCC ここで、 CD ≥ 10 CC。 AD8253 の出力電圧は、リファレンス・ピンの電位を基準にし て発生されます。REF を該当するローカル・アナログ・グラウ ンドに接続するか、またはローカル・アナログ・グラウンドを 基準とする電圧に接続するように注意する必要があります。 ノイズの混入 AD8253 へのノイズ混入を防止するため、次のガイドラインに 従ってください。 デバイスの下をデジタル・ラインが通過しないようにしま す。 Rev. A － 19/23 － 図 58.RFI の除去 AD8253 R と CC の値は、RFI を小さくするように選択する必要がありま す。正側入力の R×CC と負側入力の R×CC との不一致は、 AD8253 の CMRR の性能を低下させます。CC の値の 10 倍の CD 値を使うと、不一致の影響は小さくなるので、性能が改善され ます。 小さすぎる抵抗を選択すると、AD8253 出力の電圧と AD7612 入 力の電圧との間の相関を良くしますが、AD8253 は不安定にな ってしまいます。精度を維持する小さい抵抗の選択と安定性を 維持する大きい抵抗の選択との間のトレードオフを行う必要が あります。 A/D コンバータの駆動 CMRR を確保するために A/D コンバータの前に計装アンプがし ばしば使われます。一般に、計装アンプには ADC を駆動するバ ッファが必要ですが、AD8253 は、低出力ノイズ、低歪み、小 さいセトリング・タイムを持つため、優れた ADC ドライバに なっています。 この例では、1 nF のコンデンサと 49.9 Ω の抵抗により AD7612 に対する折り返し防止フィルタを構成しています。この 1 nF の コンデンサは、ADC のスイッチド・キャパシタ入力に対して必 要な電荷の保持と供給も行っています。49.9 Ω の直列抵抗はア ンプから 1 nF 負荷を削減し、AD7612 のスイッチ・キャパシタ入 力から流出するキックバック電流からアイソレーションします。 Rev. A － 20/23 － 図 59.ADC の駆動 AD8253 アプリケーション情報 差動出力 マイクロコントローラによるゲイン設定 アプリケーションによっては、差動信号の発生が必要なことが あります。多くの高分解能の A/D コンバータでは差動入力が必 要です。あるいは、長距離伝送で干渉に対する耐性を向上させる ために差動信号が必要とされます。 図 61 に、AD8253 で差動信号を出力させる方法を示します。オ ペアンプ AD8675 は、差動電圧を発生する反転回路で使ってい ます。VREF は、図に示す式に従って出力中心を設定します。オ ペアンプの誤差は両出力共通であるため、同相モードになりま す。同様に、不一致抵抗からの誤差により、同相モードに DC オフセット誤差が発生します。このような誤差は、差動入力 ADC や計装アンプによる差動信号処理により除去されます。 この回路を使って差動 ADC を駆動する場合、VREF を ADC リフ ァレンスからの抵抗分圧器を使って設定することにより、ADC での電源に比例する出力が可能になります。 図 60.マイクロコントローラによるゲイン設定 図 61.レベルシフト付きの差動出力 Rev. A － 21/23 － データ・アクイジション AMPLITUDE (dB) AD8253 は、データ・アクイジション・システムでの使用に対 して優れた計装アンプになっています。広い帯域幅、低歪み、 低セトリング・タイム、低ノイズにより、さまざまな 6 ビット ADC の前で信号コンディショニングが可能です。 図 63 に、データ・アクイジション・システムの一部としての AD825x を示します。AD8253 の高速なスルー・レートを使うと、 マルチプレクスされた入力からの高速信号のコンディショニング が可能です。FPGA から AD7612、AD8253、ADG1209 を制御し ています。さらに、メカニカル・スイッチとジャンパを使うと、 トランスペアレント・ゲイン・モードでゲインをピン設定する ことができます。 0 –10 –20 –30 –40 –50 –60 –70 –80 –90 –100 –110 –120 –130 –140 –150 –160 –170 0 5 10 15 20 25 30 35 40 FREQUENCY (kHz) JMP +12V + 0.1µF 10µF +CH1 +CH2 +CH3 +CH4 –CH4 –CH3 –CH2 –CH1 806Ω 806Ω 806Ω VDD 5 S2A 6 S3A DGND DGND +5V 0Ω 0Ω CC +IN DA 8 0Ω S3B DB 9 12 S2B GND 15 A0 13 2kΩ 2 ALTERA EPF6010ATC144-3 DGND 6 S4B 806Ω JMP DGND 10 + ADG1209 11 –VS 2kΩ 10µF 2 7 S4A 10 806Ω +5V 4 S1A EN 806Ω 806Ω JMP –12V GND 14 806Ω + S1B A1 VSS 16 0Ω 5 WR A1 4 A0 REF AD8253 CD –IN CC 1 – +VS –VS 9 3 DGND 7 VOUT +IN 0Ω 49.9Ω AD7612 1nF ADR435 8 1 C4 0.1µF C3 0.1µF 3 +12V –12V JMP 0.1µF –12V +5V 2kΩ DGND +5V R8 2kΩ 06983-067 JMP DGND 図 63. 総合データ・アクイジッション・システムで使用した ADG1209、AD8253、AD7612 、AD825x の回路図 Rev. A 50 図 62.AD8253 の 1 kHz 信号を使った総合データ・アクイジッショ ン・システムでの AD825x の FFT このシステムはテスト時に、1 kHz で−116 dB の THD と 91 dB の信号対ノイズ比を実現しています(図 62 参照)。 +12V 45 06983-062 AD8253 － 22/23 － AD8253 外形寸法 3.10 3.00 2.90 10 3.10 3.00 2.90 1 6 5.15 4.90 4.65 5 D06983-0-8/08(A)-J PIN 1 0.50 BSC 0.95 0.85 0.75 0.15 0.05 1.10 MAX 0.33 0.17 SEATING PLANE 0.23 0.08 8° 0° 0.80 0.60 0.40 COPLANARITY 0.10 COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MO-187-BA 図 64.10 ピン・ミニ・スモール・アウトライン・パッケージ[MSOP] (RM-10) 寸法: mm オーダー・ガイド 1 Model Temperature Range Package Description Package Option Branding AD8253ARMZ1 AD8253ARMZ-RL1 AD8253ARMZ-R71 AD8253-EVALZ1 –40°C to +85°C –40°C to +85°C –40°C to +85°C 10-Lead MSOP 10-Lead MSOP 10-Lead MSOP Evaluation Board RM-10 RM-10 RM-10 Y0K Y0K Y0K Z = RoHS 準拠製品 Rev. A － 23/23 －