AN-968: 電流源の回路と動作 (Rev. 0) PDF

AN-968
アプリケーション・ノート
電流源の回路と動作
著者:Martin Murnane
VDD
REFIN1(+) GND
IN+
OUT–
AD7794/AD7795
AIN1(+)
AIN1(–)
IN+
OUT–
OUT+
AVDD
VDD
IN–
OUT+
AIN2(+)
AIN2(–)
IN–
MUX
AIN3(+)
BUF
IN-AMP
Σ-Δ
ADC
SERIAL
INTERFACE
AND
LOGIC
CONTROL
DOUT/RDY
DIN
SCLK
CS
AIN3(–)
GND
REFIN2(+)
RCM
VDD
REFIN2(–)
IOUT1
INTERNAL
CLOCK
DVDD
REFIN1(–)
GND
CLK
07488-001
PSW
図 1.AD7794 電流源アプリケーション(詳細については、AD7794 データシートを参照)
はじめに
低電流—ADC アプリケーション
多くのアプリケーションで、センサー駆動用、正確な計測用、
その他のアプリケーション用のデバイスを励起する電流源が必
要となります。このアプリケーション・ノートでは、アナロ
グ・デバイセズの IC を使って電流源をデザインする際に使用で
きるいくつかのオプションについて説明します。特定のデバイ
スに組込まれるマイロアンペア・レンジの電流源から、中電力
や高電力ディスクリート・アプリケーションの 1 A レンジまで
の電流源の例も示します。
ADC によっては、定電流源 (励起電流とも呼ばれます)を内蔵す
るセンサー直接実装向けに特別にデザインされているものもあ
ります。
AD7794 デバイスは、10 µA~1 mA で設定可能な励起電流を持
っています (図 1 参照)。この電流源はレジスタ(I/O レジスタ)か
ら制御され、2 本の出力ピンの内の 1 本(この場合 IOUT1)に流れ
る電流をイネーブルします(詳細については、図 1 を参照してく
ださい)。これは、センサー消費電力が小さい携帯型アプリケー
ションには十分な機能です。
Rev. 0
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本
AN-968
AD7719 ADC には、最大電流 400 µA の同様の電流源があります
(図 2 参照)。同様に、2 つの電流源も使用可能です。両電流源は
200 µA であり、AD7794 ADC と同じ方法で制御することができ
ます。すなわち、一方または両方の電流を出力ピンへ流すこと
ができます。図 2 では、両電流が IOUT1 ピンに出力されて、ブ
リッジとリファレンスを駆動しています。詳細については、
AD7719 データ・シートを参照してください。
低電流—オペアンプ・アプリケーション
電流源に対するディスクリート・オプションは、オペアンプ駆動
の回路です(図 3)。AD8610 オペアンプは駆動電流が比較的大き
いオペアンプで、±12 V から駆動されます。
10pF
アナログ・デバイセズは、定電流源機能を内蔵する多くの ADC
を提供しています。詳細については、www.analog.com/adcs をご
覧ください。
2kΩ
VIN
LK1
2kΩ
2
5V
AVDD
22Ω
6
3
1MΩ
AD8610ARZ
LOAD
IOUT1
1kΩ
I1
10pF
2kΩ
I2
10kΩ
REFIN(+)
AD8610ARZ
6.25kΩ
REFIN(–)
図 3.10 mA 電流ソース/シンク
AIN2
IN(+)
VIN の負電圧がオペアンプを制御して、このデバイスの電圧出
力を持ち上げます。アンプの出力電流が 1 Ω の検出抵抗に流れ
ます。帰還オペアンプの入力電圧が上昇して、制御オペアンプ
入力に逆極性の電圧を発生させます。平衡状態に達して、定常
状態の電流が 1 Ωの検出抵抗に流れます。検出抵抗は電流の測
定に使いますが、負荷抵抗も高価な検出抵抗のコスト削減のた
めに使うことができます。この方式の欠点は、負荷がなくなっ
た場合、たとえばアンプが飽和した場合に回路が未知状態にな
ることです。
XTAL1
AD7719
PRESSURE
BRIDGE
AIN1
XTAL2
AIN4
IN(–)
AIN3
250Ω
AGND
07488-002
OUT(+)
OUT(–)
図 2.AD7719 の電流源アプリケーション(詳細は AD7719 データシートを参
照)
AD8610 は優れた電流ノイズ性能と電圧ノイズ性能を持ってい
るために選択されたことに注意してください。詳細については、
AD8610 データ・シートを参照してください。この回路では、
正または負の電圧を VIN に与えることにより、10 mA 以上の電
流をそれぞれシンクまたはソースすることができます。
マイクロコントローラ
アナログ・デバイセズは、低電流レンジの電流源を内蔵した広
範囲なマイクロコントローラも提供しています。詳細について
は、www.analog.com/microcontrollers を参照してください。
Rev. 0
07488-003
1Ω
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AN-968
中電流—バイポーラ・アプリケーション
大電流—MOSFET アプリケーション
図 4 に、100 mA 以上の大きな電流を持つ電流源の例を示します。
この回路では、負荷へ電流を供給するためにプッシュプルのオ
ペアンプ出力ドライバ・ステージを使っています。正の電圧を
VIN に与えると、制御オペアンプの出力電圧が上昇して、Q1 を
ターンオンさせるので、10 Ω の抵抗を通して負荷へ電流が流れ
ます。この 10 Ω の抵抗は、熱暴走を防止するために必要です。
電流が増えると、検出抵抗の電圧も大きくなるので、制御オペ
アンプへの電圧帰還も増えて平衡状態に到達します。平衡状態
になると、VIN の固定入力電圧に対応する定電流が負荷に流れ
ます。これにより負荷へ電流を供給するので、これは定電流源
になります。
大電流アプリケーションが必要な場合には、前述の回路でプッ
シュプルを MOSFET と数個の部品で置き換えることにより負荷
電流を増やすことができます。
LK1
2kΩ
10Ω
2
Q1
R3
10Ω
E
B
22pF
12kΩ
Q2
C
0.1µF
–12V
07488-004
10µF
1Ω
SENSE
RESISTOR
図 4.100 mA 以上の電流のソース/シンク
Rev. 0
10kΩ
07488-005
AD8610ARZ
図 5.IRF640 MOSFET を使用した電流シンク、1000 mA
図 5 の回路では、MOSFET (IRF640 N チャンネル)のゲート電圧
を設定するために制御ループを使っています。図 5 の回路では、
検出抵抗と帰還アンプを使って、前述の例で示したように VIN
の感度を低下させています。図 5 の最大電流は 1000 mA です。
ただし、MOSFET と検出抵抗のみを変更することにより、さらに
大きな電流の駆動に対して同じ制御ループを使うことができま
す。また、図 5 の回路の利点は、ジャンパーLK2 で示すように、
回路の電源とは異なる電圧の電源を負荷に対して使うことがで
きることです。これは、200 V の絶対最大定格を持つ IRF640 の
ような高電圧の MOSFET を使用する場合、回路の他の部分に供
給される 15 V より高い電圧でこの回路が動作できることを意味
します。
E
R2
10Ω
D1
22pF
100mΩ
C
D2
1
56Ω
190kΩ
LOAD
10MΩ
3 U1
1
2
6
10µF
VIN
3
LK1
5 15kΩ
0.1µF
P4
10kΩ
7
+12V
B
AD8610ARZ
VIN
15kΩ
帰還ループにアンプを追加すると、VIN での感度が低下します。
たとえば、ゲインを 10 にすると、±1 V の VIN 制御電圧が可能
になります。
12kΩ
LK2
10MΩ
SENSE RESISTOR
VIN 入力電圧が負の場合には同様の状況が発生しますが、Q2 が
ターンオンするために電流が逆向に流れます。VIN の一定電圧
に対応して、一定の電流が負荷に流れます。VIN にステップ入
力電圧を与える場合、すなわち周波数 20 kHz で±100 mV の VIN
電圧を与える場合でも、回路は約 3 µs の電流セトリング・タイ
ムで良く動作します。このスイッチングから、回路の安定性を
知ることができます。
EXT
+5V
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AN-968
この回路では、1000 mA の電流をシンクするように MOSFET と
検出抵抗が選択されています。したがって、100 mΩ の検出抵抗
では、最大負荷での合計電圧が 0.1 V になります。検出抵抗の
消費電力は 0.1 W です。制御アンプに対する合計電圧帰還が
2.0 V になるように、帰還回路のゲインは 20 に設定されていま
す。このため、負荷から 1000 mA の電流をシンクするために必
要な VIN の電圧は 2.0 V になります。シミュレーションでの応
答については、図 6 を参照してください。DAC を使って VIN を
駆動してこの電圧を制御すると、負荷を流れる電流が変化する
ため、可変電流源にすることができます。VIN の電圧を 1.0 V
に固定すると、500 mA の定電流源になります。
レイアウト・モジュール
EXT
+5V
+10V
0.1µF
C
B
VIN
P4
LK1 15kΩ
10MΩ
2
56Ω
3
P4
VIN
D2
1
0Ω
R3
10Ω
E
D1
B
22pF
CURRENT SINK
1A/DIV
E
R2
10Ω
LK3 15kΩ
Q2
12kΩ
15kΩ
LK2
Q1
AN07488-0-10/08(0)-J
12kΩ
AD8610ARZ
LOAD
+
10µF
C
0.1µF
7
6
AD8610ARZ
190kΩ
VOLTAGE (VIN)
2V/DIV
200mΩ
10kΩ
07488-006
図 7.レイアウト・モジュール用の電流シンク回路
広範囲な電流源アプリケーションで使用できる電流源レイアウ
ト・モジュールを開発するときは、約 1 mA~約 1000 mA に対
して、図 7 の回路を使ってください。そうすると、必要とされ
る電流範囲に応じて必要な部品のみを PCB に実装して、同じモ
ジュールを使うことができます。
図 6.検出抵抗電流ステップ応答―回路シミュレーション応答(デューティ・
サイクル= 25%)
動作させる場合、負荷は MOSFET のドレインまたはソース、あ
るいは電流パス内の任意の場所に接続することができます。
MOSFET の発熱も重要であるため、MOSFET を選択する際には
RDS(ON) の値が非常に重要な要素になります。このケースでの
RDS(ON)の値は、150 mΩ (typ)です。電流がこれより大きいときは、
可能な場合 20 mΩ以下の RDS(ON)値を使用してください。
©2008 Analog Devices, Inc. All rights reserved.
Rev. 0
07488-007
10µF
5 15kΩ
SENSE RESISTOR
+
–10V
商標および登録商標は各社の所有に属します。
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結論
定電流源または可変電流源の安定性は、正確な計測を行う場合
に非常に重要です。アナログ・デバイセズは、図 1 と図 2 のよ
うな IC 部品として、または図 3、図 4、図 5、図 7 のようなデ
ィスクリート部品として、広範囲なアプリケーション向けに柔
軟で信頼度の高い電流源を実現できる広範囲なデバイスを提供
しています。
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