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-0295 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/CN0295 を ご覧ください。 AD8226 広い電源電圧範囲のレール to レー ル出力計装アンプ ADR02 超小型高精度 5.0 V リファレンス 電圧 ADA4091-4 超小型高精度マイクロパワー、単 電源レール to レール入出力のオペ アンプ 柔軟に応用できる電圧/電流駆動の 4mA～20mA 圧力センサー・トランスミッタ この回路はブリッジをベースにした多様な電圧駆動または電流 駆動の圧力センサー向けに最適化されており、使われているア クティブ素子はわずか 5 個です。この回路の未調整での総合誤 差は 1%未満です。部品とセンサー・ドライバの設定に応じ て、7 V～36 V の電源電圧を使用できます。 評価および設計サポート環境 回路評価ボード CN0295 回路評価ボード（EVAL-CN0295-EB1Z） 設計と統合ファイル 回路図、レイアウト・ファイル、部品表 回路の入力は ESD と電源レールを超える電圧に対して保護さ れており、工業用アプリケーションに最適です。 回路の機能とその利点 図 1 に示す回路はフレキシブルな電流トランスミッタで、圧 力センサーの差動電圧出力を 4mA～20mA の電流出力に変換 します。 VCC +VCC 1/4 ADA4091-4 U2A +VREF VDRIVE R6 10kΩ I15 4mA, 20mA +VCC +5V J3-3 R5 2kΩ ADR02 +VCC RBRIDGE RBRIDGE R1 J3-2 4.02kΩ VIN RBRIDGE RBRIDGE J3-1 R7 11.5kΩ R8 1kΩ +VSS G = 16.06 VCC R12 1kΩ +VCC 10nF R2 4.02kΩ J3-4 VIN = 0mV; 100mV +VREF 1nF R3 3.28kΩ U1 AD8226 VOUT Q2 1/4 ADA4091-4 100Ω Q1 U2D P1-1 1/4 1nF REF R15 100Ω ADA4091-4 Q1: BC847C, 215 Q2: SI2319DS-T1-E3 U2C +VCC 0.4V, 2.0V 0.4V 1/4 I13 0.4mA, 2.0mA R13 1kΩ ADA4091-4 U2B J1-1 J1-2 R14 499Ω P1-2 PCB GROUND 11610-001 +5V 図 1. 4 mA～20 mA 出力の圧力センサー信号処理回路（センサーは電圧駆動モード） （簡略回路図：接続の一部およびデカップリングは省略されています。） 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. 0 ©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-0295 回路ノート 動の設定を図 2 に示します。（CN0295 設計支援パッケージの 回路レイアウトと回路図を参照： http://www.analog.com/CN0295-DesignSupport）。電圧駆動は、 通常、6 V のブリッジ駆動電圧（このステージのゲイン（1 + R5/R6）から得られる値）に設定されています。次式を使って 抵抗比を適切に変更することにより、他の駆動電圧を得るこ とができます。 回路説明 このソリューションは、圧力センサー計測用の 4 mA～20 mA トランスミッタです。この回路には、センサー励起駆動源、セ ンサー出力アンプ、電圧/電流コンバータの 3 つの重要なステー ジがあります。 表 1 に示すように、（ブリッジ駆動電流と出力電流を除い て）回路に必要な合計電流は 5.23 mA （最大）です。 表 1. 最大回路電流（25°C） 回路素子 ADR02 ADA4091-4 AD8226 R5, R6 at 6 V R7, R8 at 5 V R13 at 2 V Total R5 V DRIVE = 5 V 1 + R6 消費電流 (mA) 0.80 1.00 0.43 0.60 0.40 2.00 5.23 ADA4091-4 の U2A に動作のための十分な余裕を与えるため、 電源電圧 VCC はブリッジ駆動電圧より少なくとも 0.2 V 高く なるようにしてください。 V CC ≥ V DRIVE + 0.2 V 図 2 に示されている値の場合、R5 = 2 kΩ、R6 = 10 kΩ、IDRIVE = 2 mA、VDRIVE = 6 V、VCC ≥ 6.2 V となります。 ADA4091-4 オペアンプがこの回路に使用されているのは、消 費電流が少なく（250 µA/アンプ）、オフセット電圧が低く （250 µV）、入力および出力がレール to レールであるためで す。 励起源：電圧駆動の設定 選択された圧力センサーに応じて、電圧駆動または電流駆動 のどちらかが必要です。この回路では ADA4091-4 の 4 つのア ンプのうちの 1 つ（U2A）を使用して、S1 スイッチを切り替 えることで設定を選択し、どちらかのオプションをサポート します。S1 の位置を識別マークに最も近い位置にした電圧駆 5 V リファレンスとして ADR02 が使用されているのは、高精 度（A グレード：0.1%、B グレード：0.06%）、低消費電流 （0.8 mA）であるためです。 +VCC +5V 1/4 ADA4091-4 U2A VDRIVE IDRIVE IDRIVE = 2mA FOR VDRIVE = 6V, RBRIDGE = 3kΩ J3-3 R5 2kΩ RBRIDGE RBRIDGE J3-2 R1 4.02kΩ +V R6 10kΩ RBRIDGE AD8226 INPUT RBRIDGE VCM = 3V J3-4 R2 4.02kΩ 11610-002 –V J3-1 図 2. センサー電圧駆動の設定（簡略回路図：接続の一部およびデカップリングは省略されています。） Rev. 0 －2/6 － CN-0295 回路ノート それに伴う駆動電圧 VDRIVE は次式で計算します。 励起源：電流駆動の設定 V DRIVE = 5 V + I DRIVE × R BRIDGE S1 の位置を識別マークから最も遠い位置に移動させることに より、この回路を図 3 に示す電流駆動の設定に切り替えるこ とができます。 VCC 電源には 0.2 V のヘッドルームが必要であるため、アンプ の電源の下限は次のようになります。 電流駆動モードでは、回路は R4 = 2.5 kΩ を用いて IDRIVE = 2 mA に設定されています。次式を使って R4 の値を変更することに より、IDRIVE の値を可変させることができます。 R4 = V CC ≥ V DRIVE + 0.2 V 図 3 に示されている値の場合、RBRIDGE = 3 kΩ、 IDRIVE = 2 mA、VDRIVE = 11 V、VCC ≥ 11.2 V となります。 5V I DRIVE +VCC +5V 1/4 ADA4091-4 U2A VDRIVE IDRIVE VDRIVE = 5V + IDRIVE × RBRIDGE = 11V FOR RBRIDGE = 3kΩ J3-3 RBRIDGE RBRIDGE J3-2 R1 4.02kΩ +V RBRIDGE AD8226 INPUT RBRIDGE VCM = 8V –V J3-1 R4 2.5kΩ R2 4.02kΩ 11610-003 IDRIVE = 2mA J3-4 図 3. センサー電流駆動の設定（簡略回路図：接続の一部およびデカップリングは省略されています。） Rev. 0 －3/6 － CN-0295 回路ノート VCC 電源電圧の最小値は、ブリッジの駆動回路の設定にも依 存します。VDRIVE = 6 V の電圧駆動モードでは、U2A に十分な ヘッドルームを保つため、電源電圧 VCC を 6.2 V より高くし なければなりません（図 2 参照）。 ブリッジ出力の計装アンプとオフセット回路 ブリッジの出力は帯域幅 39.6 kHz の同相フィルタ（4.02 kΩ、 1 nF）と、帯域幅 1.98 kHz の差動モード・フィルタ（8.04 kΩ、10 nF）によってローパス・フィルタ処理されます。 電流駆動モードでは、U2A に十分なヘッドルームを保つた め、電源電圧 VCC を 11.2 V より高くしなければなりません （図 3 参照）。 AD8226 はゲイン誤差が少なく（0.1%、B グレード）、オフ セットが小さく（G = 16、B グレードで 58 µV、G = 16、A グ レードで 112 µV）、ゲイン非直線性に優れており（75 ppm = 0.0075%）、入力と出力がレート to レールなので、このよう な目的の計装アンプに最適です。 VCC 電源電圧は最大 36 V に制限されます。 アクティブ部品の誤差解析 AD8226 計装アンプはゲイン設定抵抗 R3 = 3.28 kΩ を使っ て、100 mV FS の信号を 16 倍のゲインで 1.6 V に増幅しま す。ゲイン G と R3 の関係は次式で与えられます。 R3 = AD8226 と ADR02 の A グレードと B グレードでの、システム 内のアクティブ部品に起因する最大誤差と rss 誤差(root sum square: 二乗和の平方根)を 表 2 と表 3 に示します。ADA40912 オペアンプのグレードは 1 つしかないことに注意してくだ さい。 49.4 kΩ G –1 表 2. アクティブ部品に起因する誤差（A グレード） Error Error Component Error Value Error %FSR AD8226-A Offset 112 µV 0.11% ADR02-A Offset 0.10% 0.02% ADA4091-4 (U2B) Offset 250 µV 0.02% ADA4091-4 (U2C) Offset 250 µV 0.02% ADA4091-4 (U2D) Offset 250 µV 0.02% AD8226-A Gain 0.15% 0.15% RSS Offset 0.12% RSS Gain 0.15% RSS FS Error 0.27% Max Offset 0.19% Max Gain 0.15% Max FS Error 0.34% G = 16 の場合、R3 = 3.2933 kΩ です。R3 には最も近い 0.05% 誤差抵抗の 標準値である 3.28 kΩ を選択すると、G = 16.06 と なり、総合ゲイン誤差が+0.4%になります。 ブリッジの出力が 0 V の時、出力ループ電流を 4 mA にする 必要があります。これは、図 1 に示すように AD8226 計装ア ンプの REF 入力に+0.4 V のオフセットを与えるだけで実現さ れます。+0.4 V は、抵抗デバイダ R7/R8 を使用し、U2B で電 圧をバッファすることによって 5 V リファレンスである ADR02 から作り出します。 ブリッジの駆動電圧または駆動電流を設定し、4mA のゼロ・ オフセットを設定するのに 5 V リファレンス ADR02 が使われ ています。その初期精度は 0.06% （B グレード）、電圧ノイ ズは 10µV p-p です。さらに、36V までの電源電圧で動作し、 消費電流は 1mA 未満なので、低消費電力アプリケーションに 最適です。 電圧/電流変換 表 3. アクティブ部品に起因する誤差（B グレード） Error Error Component Error Value Error %FSR AD8226-B Offset 58 µV 0.06% ADR02-B Offset 0.06% 0.01% ADA4091-4 (U2B) Offset 250 µV 0.02% ADA4091-4 (U2C) Offset 250 µV 0.02% ADA4091-4 (U2D) Offset 250µV 0.02% AD8226-B Gain 0.10% 0.10% RSS Offset 0.07% RSS Gain 0.10% RSS FS Error 0.17% Max Offset 0.13% Max Gain 0.10% Max FS Error 0.23% AD8226 の入力が 0 V～100 mV の場合、VOUT での出力振幅は 0.4 V～2.0 V となります。バッファ U2C がこの電圧を R13 に 印加し、それに流れる 0.4 mA～2.0 mA の電流 I13 が生成され ます。次いで、トランジスタ Q1 が I13 電流を R12 にも流し し、その結果得られる R12 の両端の電圧が R15 にも等しく印 加されるので、最終的に 4mA～20mA のループ電流が得られ ます。トランジスタ Q1 は、そのベース電流に起因する直線 性誤差を最小に抑えるためにゲインが少なくとも 300 あるも のにします。 出力トランジスタ Q2 は 25°C で 0.75W を消費できる 40 V の P チャネル MOSFET パワー・トランジスタです。回路内のワー ストケースの消費電力は、36 V の VCC 電源で 0 Ω のループ負 荷抵抗に 20 mA の出力電流が流れる場合です。このような条 件では、Q2 の消費電力は 0.68 W です。しかし、VCC を最大ル ープ負荷電圧より少なくとも 3 V 高くなるように選択するこ とにより、Q2 の電力を大幅に削減することができます。これ により、検出抵抗 R15 での電圧降下による十分なヘッドルー ムが保証されます。 電源電圧の要件 回路を正しく動作させるには、ADR02 電圧リファレンスに十 分な電源電圧の余裕を与えるために電源電圧 VCC を 7 V より 高くする必要があります。 Rev. 0 －4/6 － CN-0295 回路ノート 高精度、低消費電力、低ノイズ電圧のリファレンス ADR4550 は、低電圧電源アプリケーション用に ADR02 の代わりに使う ことができます。 回路全体の精度 抵抗の許容誤差に起因する総合誤差の妥当な近似値を得るに は、クリティカルな各抵抗が総合誤差に等しく影響を与えると 想定します。クリティカルな 6 つの抵抗は、R3、R7、R8、 R12、R13、R15 です。0.1%抵抗で構成したときのワーストケ ースの許容誤差を求めると、総合抵抗誤差は最大 0.6% になり ます。rss による誤差とすると、総合 rss 誤差は 0.1√6 = 0.245%になります。 回路の評価とテスト 必要な装置 抵抗のワーストケースの許容誤差 0.6%を、前に求めたアクテ ィブ部品（A グレード）に起因するワーストケースの誤差に 加算すると、以下のようになります。 • オフセット誤差= 0.19% + 0.6% = 0.79% • EVAL-CN0295-EB1Z 評価用ボード • Agilent 36311A 高精度 DC 電源 • Yokogawa2000 高精度 DC 電源 • Agilent3458A 高精度マルチメータ 評価用ボードの電流出力での直線性誤差は、図 5 に示すセッ トアップで測定されました。 • ゲイン誤差= 0.15% + 0.6% = 0.75% • フルスケール誤差= 0.34% + 0.6% = 0.94% FOR TESTS, VCM = 3V, RBRIDGE = 3kΩ, VCC = 25V V+ これらの誤差は、計算された抵抗値が選択され、誤差はその 許容誤差のみに起因すると仮定しています。 PRECISION V POWER SUPPLY DIFF COM 回路の総合誤差を 1% 以下にすることは可能ですが、さらに 精度を上げる必要があれば、オフセットとゲインの調整機能 を回路に追加します。オフセットは、ゼロ入力で 4 mA 出力の 場合、R7 または R8 を調整することによって較正することが できます。次に、フルスケールは、フルスケール 100 mV 入 力に対して R3 を変化させて調整することができます。 オフ セットを最初に較正すれば、2 つの調整は独立して行うこと ができます。 RBRIDGE/2 J3-2 VCM RBRIDGE/2 J3-4 DUAL POWER SUPPLY EVAL-CN0295-EB1Z COM1 CH1 VOUT1 実際の回路の誤差データ（VCC = 25 V 時）を図 4 に示します。 出力電流の総合誤差（%FSR）は、理想的な出力電流と測定さ れた出力電流の差を FSR（16 mA）で割り、その結果に 100 を 掛けて計算されています。 VCC CURRENT METER J2-2 J1-1 I J2-1 J1-2 COM 図 5. テスト・セットアップのブロック図 0.15 テスト方法 –0.10 Agilent E3631A と Yokogawa 高精度電圧源を使って評価用ボ ードの電源を投入し、センサー出力をシミュレーションしま した。Agilent E3631A の CH2 を 25 V に設定し、ボードの電源 として使用しました。また、もう１つのチャンネル CH1 を 2.5 V に設定し、同相電圧を発生させました。チャンネル CH2 は、 図 5 に示すように Yokogawa 2000 と直列に接続しました。 Yokogawa 2000 は計装アンプの入力で 0mV ～100 mV の差動 入力電圧を発生させ、次いでセンサー出力をシミュレーショ ンします。 –0.15 Agilent 3458A を使って評価用ボードの実際の電流出力を測定し ました。Agilent 3458A は J1 と直列に接続されています。 0.05 0 –0.05 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 BRIDGE OUTPUT (mV) 11610-004 TOTAL ERROR (%FSR) 0.10 図 4. VCC = 25 V でのブリッジ電圧対出力電流の 総合誤差（%FSR） バリエーション回路 この回路は、図に示された部品の値を使うことで、優れた安 定性と高精度を提供します。また他のアナログ・デバイセズ の電圧リファレンス、高精度オペアンプおよび計装アンプを この設定で使用して、4 mA～20 mA のアナログ電流出力や、 この回路の他の種々のアプリケーションを開発することがで きます。 また、デュアル・チャンネル、低価格、広電源電圧範囲の計 装アンプ AD8426 も、入力チャンネルが複数あるアプリケー ションに使うことができます。 Rev. 0 －5/6 － 11610-005 VOUT2 CH2 COM2 CN-0295 回路ノート さらに詳しい資料 CN-0295 Design Support Package： http://www.analog.com/CN0295-DesignSupport MT-035 Tutorial：Op Amp Inputs, Outputs, Single-Supply, and Rail-to-Rail Issues. MT-051 Tutorial：Current Feedback Op Amp Noise Considerations MT-065 Tutorial：In-Amp Noise MT-066 Tutorial：In-Amp Bridge Circuit Error Budget Analysis MT-087 Tutorial：Voltage References MT-031 Tutorial：Grounding Data Converters and Solving the Mystery of AGND and DGND. Analog Devices. MT-101 Tutorial：Decoupling Techniques. Voltage Reference Wizard Design Tool. データシートと評価ボード AD8226 データシート ADA4091-4 データシート ADR02 データシート 改訂履歴 5/13—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. 0 商標および登録商標は各社の所有に属します。 －6/6 －