日本語参考資料 最新版英語回路ノートはこちら 回路ノート CN-0255 使用したリファレンス・デバイス テスト済み回路設計集“Circuits from the Lab™ ”は共 通の設計課題を対象とし、迅速で容易なシステム 統合のために製作されました。さらに詳しい情報 又は支援は http://www.analog.com/jp/CN0255 をご覧 ください。 AD7988-1 16 ビット 100 kSPS PulSAR ADC ADA4841-1 低消費電力、低ノイズアンプ AD8032 デュアル、レール to レールバッフ ァアンプ AD8031 シングル、レール to レール入出力 オペアンプ ADR4525 2.5 V 低ノイズ、リファレンス電圧 16 ビット、100kSPS、単電源、低消費電力 データ・アクイジション・システム 評価および設計サポート環境 この回路には、高性能、低電圧、低消費電力オペアンプ ADA4841-1と、低消費電力（350μA）PulSAR® A/Dコン バータ（ADC）AD7988-1が使用されています。ADA4841-1 はADCドライバ・アンプとして、AD7988-1の入力に接続さ れています。動的性能が優れており、単電源電圧での動作 とレールtoレール出力が可能なので、このオペアンプが選 択されました。さらに、入力同相電圧範囲に負電源レール が含まれます。 回路評価ボード CN-0255 評価用ボード（EVAL-CN0255-SDPZ） システム・デモンストレーション・プラットフォーム （EVAL-SDP-CB1Z） 設計と統合ファイル 回路図、レイアウト・ファイル、部品表 AD7988-1 ADC は、2.4V～5.1V の範囲の外部電圧リファレン スを必要とします。このアプリケーションで選択された電圧 リファレンスは、ADR4525 2.5V 高精度リファレンスです。 回路の機能とその利点 多くのシステムでは、性能と消費電力がトレードオフとな りますが、この回路設計では、これらのトレードオフを分 析し、16ビット、100 kSPSデータ・アクイジション・システ ムにおいて低消費電力（8mW標準）かつ高性能を実現して いる箇所に焦点を当てています。 VDD = 4V 2 VIN 0.1µF VOUT VREF = 2.5V 6 ADR4525 GND VDD = 2.5V VIO = 1.8V TO 5V 4 VDD = 4V 0.1µF 22µF 0.1µF ADA4841-1 VIN+ GND 49.9Ω 2 3 1 7 6 1 22Ω 3 2 REF VDD IN+ VIO SDI AD7988-1 SDK 2.7nF ADC IN– 49.9Ω 10 4 GND 0.1µF 9 8 7 SDO CNV 3-WIRE INTERFACE TO SDP BOARD 6 5 10382-001 VREF 図 1. シングルエンド、低電圧、低消費電力、16 ビット、100kSPS の基本的な ADC ソリューション 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。※日本語資料は 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。 Rev. A ©2015 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 新大阪トラストタワー 電話 06（6350）6868 CN-0255 回路ノート アンプ出力はグラウンド・レベルの 50mV 以内まで振幅する ことができ、このアプリケーションでは許容できます。入力 同相電圧の範囲は負電源レールから正電源レールの 1V 以内 であることに注意してください。このため、対象となる信号 範囲（0V～2.5V）に対応するのに 1V のヘッドルームが必要 になるので、この回路では 4V レールを使用しました。 ADA4841-1 は 6 ピン SOT-23 パッケージまたは 8 ピン SOIC パ ッケージで供給されます。 回路説明 この回路の心臓部は、単一 VDD 電源で動作する AD7988-1 16 ビット、100 kSPS 逐次比較型 ADC です。このデバイスは、 低消費電力、高速 16 ビット・サンプリング ADC と、汎用シ リアル・ポート・インターフェース（SPI）を備えています。 CNV の立上がりエッジで、アナログ入力 IN+（0V～REF 間） を、グランド検出ピン IN−を基準にしてサンプリングします。 リファレンス電圧、REF、は外部より与えられますが、電源 電圧、VDD とは独立して設定することができます。 このアプリケーションで使用されている 2.5V 電圧リファレン スは、ADR45xx リファレンス・シリーズの ADR4525 です。 このデバイスは高精度、低消費電力、低ノイズで、±0.01%の 初期精度、優れた温度安定性、および低出力ノイズを特長と します。ADR4525 は熱による出力電圧ヒステリシスが小さく 長期出力電圧ドリフトが小さいので、システム性能が向上し ます。このデバイスは最大動作電流が 700µA で、ドロップア ウト電圧が最大 500mV と低く、携帯機器で使用するのに最適 です。 この回路ノートで行った実験では、AD7988-1 評価用ボードを システム・デモンストレーション・プラットフォーム （SDP）EVAL-SDP-CB1Z とインターフェースさせました。こ の場合、ADC の SPI 互換シリアル・インターフェースを DSP の SPORT インターフェースに接続しました。ADC の SPI イ ンターフェースを使うと、単一の 3 線バス上で複数の ADC を デイジーチェーン接続することができます。専用の VIO 電源 ピンを使用することにより、1.8V、2.5V、3V、または 5V ロ ジックに対応します。 この回路で使用されている 3 つのデバイスはそれぞれ、−40℃ ～+125℃の工業用温度範囲で動作仕様が規定されています。 AD7988-1 は、10 ピン MSOP または 10 ピン QFN（LFCSP）パ ッケージに収められています。便宜上、このボードでは MSOP パッケージを使用しています。 性能予測 このアプリケーションでは電力が鍵になるので、多くの利用 可能なデバイスから適切に選択できるように、回路の各構成 部品の影響を分析することが必要です。最初のステップとし て、選択した 3 つのデバイスの個々の電源電流を調べました。 ADC 入力は、1.1mA（typ）の静止電源電流で動作する、ユニ ティゲインで安定した、低ノイズ、低歪み、レール to レール 出力アンプ ADA4841-1 によってバッファされ、駆動されます。 このアンプは、広帯域での電圧ノイズが 2.1nV/√Hz、電流ノ イズが 1.4pA/√Hz と小さく、100kHz でのスプリアスフリー・ ダイナミック・レンジ（SFDR）が−105dBc と優れています。 低い周波数で低ノイズ環境を維持するため、このアンプの 10Hz での 1/f ノイズは低く、7nV/√Hz と 13pA/√Hz です。 各構成部品の電源電流の代表的な計算値と測定値を表 1 に示 します。ADC のデジタル・インターフェースの VIO 電源から の影響はごくわずかなため、ここには含まれていません。電 流の測定値と計算値は良く対応しています。小さな差は、受 動部品と代表的なデータシートの仕様からの電源電流のわず かなばらつきに起因しています。 ADA4841-1 の特長として、このアプリケーションでは負電源 レールをグラウンドに接続した状態でシングル・レールによ って動作可能なので、単電源アプリケーションに最適です。 表 1. 電源電流による影響の計算値と測定値 計算値 測定値 負荷 ADC ドライバ 内容 AD7988-1 ADA4841-1 電源電流 150 µA 1.1 mA 電源電圧 2.5 V 4V 電力 375 µW 4.4 mW リファレンス ADR4525 700 µA 4V 2.8 mW リファレンス負荷 ADC ref 電流 60 µA 4V 240 µW 合計 Rev. A 7.81 mW －2/7 － 電源電流 148 µA 1.95 mA 電源電圧 2.5 V 4V 電力 370 µW 7.8 mW 8.17 mW CN-0255 回路ノート 低い値のリファレンス電圧を使用する場合、AD7988-1 ADC の AC 性能がある程度低下することが予想されます。この性 能低下を図 2 に示します。ここでは、信号対ノイズ比 （SNR）、信号対ノイズおよび歪み比（SINAD）、および有 効ビット数（ENOB）がリファレンス電圧の関数として示さ れています。2.5V リファレンスでは、約 86dB～87dB の SNR 性能が予想されることに注意してください。 100 16 15 90 14 85 80 2.25 高い入力電圧範囲が必要な場合には、リファレンスと ADC ド ライバの両方に、高い電圧リファレンスと高い電源レールを 選択します。 ENOB (BITS) 95 同様の条件（ただし、サンプリング・レートは 500 kSPS）で の AD7988-5 ADC（16 ビット、500 kSPS）の動的性能を図 4 に示します。SNR は 86.37dB になります。 13 2.75 3.25 3.75 4.25 4.75 12 5.25 REFERENCE VOLTAGE (V) PulSAR®ファミリーのその他のピン互換 16 ビット ADC では、 高いサンプリング・レートの AD7988-5（500kSPS）、AD7980 （1MSPS）、AD7983（1.33MSPS）が利用可能です。サンプリ ング・レートが高いと、より多くの電力を必要とすることに 注意してください。また、高い分解能が必要な場合は、ピン 互換デバイスである AD7691（18 ビット、250kSPS）、 AD7690（18 ビット、400kSPS）、AD7982（18 ビット、 1MSPS 差動入力）、AD7984（18 ビット、1.33MSPS）が適し ています。 10382-002 SNR, SINAD (dB) SNR SINAD ENOB バリエーション回路 図 2. AD7988-1 ADC のリファレンス電圧に対する SNR、SINAD、ENOB 10382-004 この回路の測定結果を図 3 に示します。前の図 2 に示したよ うに、86.17dB の SNR 性能は 2.5V リファレンス電圧で予想さ れた値と同程度です。 10382-003 図 4. 500 kSPS の AD7988-5 ADC を使用して 10kHz の入力 トーンを 500 kSPS のサンプリング・レートで測定した AC 性能、SNR = 86.37dB 図 3. 10kHz の入力トーンを 100 kSPS のサンプリング・ レートで測定した AC 性能、SNR = 86.17dB Rev. A －3/7 － CN-0255 回路ノート トリング・タイムを特長とする単電源の電圧帰還アンプです。 このアンプは、容量性負荷のときにユニティゲインで安定し、 3.3V 単電源で消費する電力は 2.5mW 未満です。AD8031 は 5 ピン SOT-23、8 ピン SOIC、8 ピン PDIP、8 ピン MSOP パッ ケージで供給されます。この回路では、分圧器を使って ADA4841-1 の入力に必要な 1.25V の同相電圧を供給します。 この分圧器への 2.5V 電圧リファレンスをバッファするのに AD8031 が使用されています。バッファで消費される追加の 電力を表 2 に示します。 入力同相電圧バイアス・アンプの追加 AC 結合のアプリケーションでは、入力信号をその中心が ADC の入力範囲内（2.5V リファレンスでは 0V～2.5V）にな るようにバイアスする必要があります。図 5 に示す回路は、 この同相信号の要件に対応します。 このアプリケーションでは、多種のアンプをバッファ目的で 使用することができます。AD8031 は、80MHz の小信号帯域 幅での高速性能、30V/µs のスルーレート、および 125ns のセ VDD = 4V 0.1µF AD8031 VOLTAGE BUFFER FOR BIASING PURPOSES 6 2 7 3 1 VDD = 4V 0.1µF 2 VIN VREF = 2.5V 6 VOUT 1µF ADR4525 0.1µF VDD = 2.5V VIO = 1.8V TO 5V GND 4 VDD = 4V +0.5 × VREF VCM VIN+ 1µF GND ADA4841-1 49.9Ω GND VCM = VREF ÷ 2 = 1.25V 10kΩ –0.5 × VREF 0.1µF 22µF 0.1µF 0.1µF 2 3 1 7 6 1 22Ω 3 2 REF VDD IN+ 49.9Ω VIO SDI AD7988-1 SDK 2.7nF ADC 10kΩ 10 IN– 4 GND 0.1µF 9 8 7 SDO CNV 6 3-WIRE INTERFACE 10382-005 VREF 5 VOLTAGE DIVIDER FOR BIASING PURPOSES 図 5. AC 結合アプリケーションの入力電圧範囲を中心に合わせるのに使用される同相バッファを追加して強化した回路 表 2. VCM バッファ（AD8031）を含む電源電流の影響の計算値 負荷 内容 電源電流 ADC AD7988-1 150 µA ADA4841-1 1.1 mA ドライバ 電源電圧 2.5 V 4V 電力 375 µW 4.4 mW リファレンス ADR4525 600 µA 4V 2.4 mW VCM バッファ AD8031 750 µA 4V 3 mW 合計 Rev. A 10.17 mW －4/7 － CN-0255 回路ノート VDD = 4V 0.1µF 1/2 AD8032 VOLTAGE BUFFER FOR BIASING PURPOSES 7 8 5 6 VOLTAGE BUFFER FOR REFERENCE BUFFERING 4 VDD = 4V 0.1µF 1/2 VREF = 2.5V 2 VIN 3 6 VOUT AD8032 VREF = 2.5V 1 1µF ADR4525 0.1µF 2 VDD = 2.5V VIO = 1.8V TO 5V GND 4 VDD = 4V +0.5 × VREF GND –0.5 × VREF VCM = 1.25V VIN+ 1µF 2 49.9Ω VCM = VREF ÷ 2 = 1.25V 10kΩ 0.1µF 1 ADA4841-1 GND 3 0.1µF 10µF 0.1µF 7 6 1 22Ω 3 2 REF VDD IN+ 49.9Ω VIO SDI AD7988-1 SDK 2.7nF ADC 10kΩ 10 IN– 4 GND 0.1µF 9 8 7 SDO CNV 6 3-WIRE INTERFACE 10382-006 VREF = 2.5V 5 VOLTAGE DIVIDER FOR BIASING PURPOSES 図 6. 同相バッファとリファレンス・バッファを追加して強化した回路 リファレンス電圧バッファの追加 電圧リファレンスが別の回路で共有されるアプリケーション の場合、最適な性能を確保するためにリファレンス電圧をバ ッファする必要があるかもしれません。この例では、図 6 に 示すように、AD8032（AD8031 のデュアル・バージョン）を 使うと良好に動作します。ADC のリファレンス入力をバッフ ァすると、デカップリング値を、できるだけデバイスの近く に配置した 10µF のセラミック・チップ・コンデンサまで小さ くすることができます。 10382-008 図 6 に示すように、AD8032 アンプを使って VCM 電圧レベル を生成し、リファレンス電圧をバッファするときの、 AD7988-1 と AD7988-5 のそれぞれの性能を図 7 と図 8 に示し ます。この回路は EVAL-CN0255-SDPZ ボードに実装されてい ます。 10382-007 図 8. 10kHz の入力トーンを測定した AC 性能（サンプリング が 500 kSPS の AD7988-5 を使用した同等の構成） 図 7. 10kHz の入力トーンを測定した AC 性能（サンプリング が 100 kSPS の AD7988-1 を使用） Rev. A －5/7 － CN-0255 回路ノート 回路の評価とテスト セットアップとテスト 必要な装置（相当品で置き換え可） AC 性能の測定セットアップのブロック図を図 9 に示します。 2.5V と 4V の電源を評価用ボードの電源端子に接続します。 • • • • • EVAL-CN0255-SDPZ システム・デモ用ボード（EVAL-SDP-CB1Z） 今回のテストで使用された Audio Precision の SYS-2522 のような関数発生器/信号源 2.5V と 4V の電源 USB ポート、USB ケーブルを備え、10 ピン PulSAR のソ フトウェアがインストールされた PC 周波数応答を測定するため、機器を図 9 に示すように接続し ます。Audio Precision の SYS-2522 信号発生器を、周波数が 10kHz、DC オフセットが 1.25V の 2.5Vp-p サイン波に設定し ます。評価用ボードのソフトウェアを使ってデータを記録し ます。 ソフトウェアによる解析機能が評価用ボードのソフトウェア に含まれており、これにより、AC および DC の性能データの 収集と解析を行うことができます。 DC POWER SUPPLIES +4V +2.5V GND AUDIO PRECISION SYS-2522 USB VIN– EVAL-CN0255-SDPZ SDP BOARD 120-PIN CONNECTOR 図 9. AC 性能測定用回路のテスト・セットアップ Rev. A －6/7 － PC WITH FFT ANALYSIS SOFTWARE 10382-009 VIN+ CN-0255 回路ノート さらに詳しい資料 データシートと評価ボード CN0255 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0255DesignSupport CN-0255 評価用ボード（EVAL-CN0235-SDPZ） System Demonstration Platform (SDP) website システム・デモンストレーション・プラットフォーム （EVAL-SDP-CB1Z） MT-021 Tutorial：Successive Approximation ADCs, Analog Devices AD7988-1 データシート Voltage Reference Selection and Evaluation Wizard, Analog Devices AD7988-5 データシート ADR4525 データシート MT-031 Tutorial：Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND," Analog Devices. AD8031 データシート MT-101 Tutorial：Decoupling Techniques, Analog Devices. ADA4841-1 データシート AD8032 データシート 改訂履歴 12/13—Rev. 0 to Rev. A Changes to Title ................................................................................... 1 4/12—Revision 0: 初版 「Circuits from the Lab／実用回路集」はアナログ・デバイセズ社製品専用に作られており、アナログ・デバイセズ社またはそのライセンスの供与者の知的所有物です。お客さまは 製品設計で「Circuits from the Lab／実用回路集 」を使用することはできますが、その回路例を利用もしくは適用したことにより、特許権またはその他の知的所有権のもとでの暗示 的許可、またはその他の方法でのライセンスを許諾するものではありません。アナログ・デバイセズ社の提供する情報は正確でかつ信頼できるものであることを期しています。し かし、「Circuits from the Lab／実用回路集 」は現状のまま、かつ商品性、非侵害性、特定目的との適合性の暗示的保証を含むがこれに限定されないいかなる種類の明示的、暗示 的、法的な保証なしで供給されるものであり、アナログ・デバイセズ社はその利用に関して、あるいは利用によって生じる第三者の特許権もしくはその他の権利の侵害に関して一 切の責任を負いません。アナログ・デバイセズ社はいつでも予告なく「Circuits from the Lab／実用回路集 」を変更する権利を留保しますが、それを行う義務はありません。 商標お よび登録商標は各社の所有に属します。 ©2015 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Rev. A 商標および登録商標は各社の所有に属します。 －7/7 －