回路ノート CN-0179 接続又は参考にしたデバイス 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 www.analog.com/jp/CN0179 をご覧くだ さい AD8657 18V、 高精度、マイクロパワー、 CMOS、レール to レール I/O、デュア ル・オペアンプ ADR125 TSOT パッケージ収納、高精度、マイク ロパワー、LDO、電圧リファレンス AD5621 2.7～5.5 V、<100 µA、12 ビット nanoDAC、 SPI インターフェース 200uA 以下、低電力、4 mA-20 mA、プロセス・コントロール電流ループ 回路の出力電流は 0 mA - 20 mA です。 一般的に出力電流 4 mA -20 mA の範囲は DAC 又はマイクロコントローラの入力コ ントロールの入力範囲に対応しており、0 mA -4 mA の出力電 流範囲は時折故障状態を診断するために使用されます。 回路の機能とその利点 図 1.の回路はプロセスコントロール・システムとそのアクチ ュエータ間の通信を行う 4 mA-20 mA 電流ループ・トランス ミッタです。この回路はコスト・パーフォーマンスが優れて いるとともに、産業界で最も低電力のソルーションです。4 mA-20 mA 電流ループはデジタル又はアナログ入力、出力の プログラマブル・ロジック・コントローラー（PLCs)や分散制 御システム（DCS’s）に広範囲に使用されてきました。電流 ループ・インターフェースが一般的に利用される理由は長距 離強ノイズ耐性データ伝送としてもっともコスト・パーフォ ーマンスの良い方法だからです。低電力デュアル・オペアン プ AD8657、DAC の AD5621 とリファレンス ADR125 の組み 合わせを使用する事によりマイクロコントローラやデジタ ル・アイソレータのようなより高電力のデバイスにより多く の電力を振り分ける事ができます。 12 ビット、5V 駆動の AD5621 の標準的な電源電流は 75 µA で す。AD8657 は入力/出力がレール to レールのデュアル・オペ アンプで、18 V までの高電圧動作が可能なオペアンプとして は現在産業界で供給可能な最も低電力のオペアンプの１つで す（フルの電源電圧と入力同相範囲に渡り 22 µA）。高精度、 マイクロパワー、5 V バンドギャップ・リファレンスの ADR125 は消費電流が 95 µA のみです。これら 3 つのデバイ スの消費電流の合計は 192 µAtype です。 VSY 18V ADR125 10µF 0.1µF VOUT VREF 5V 0.1µF GND R2 100Ω 0.1% 10ppm/°C 10µF 1/2 18V ZENER BZX84C18 AD8657 A2 SCLK SDIN BAS21LT1 VDD SYNC IRFU9014 100Ω VDAC AD5621 VOUT 1/2 AD8657 GND IRFU024N A1 RLOAD 250Ω RSENSE 2.49kΩ 0.1% 10ppm/°C IOUT 09371-001 VIN R1 1kΩ 0.1% 10ppm/°C 図 1.低電力 4mA-20mA プロセス・コントロール電流ループ（簡略化した回路:全部の接続やデカプリングは示されていません。） 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。 ©2010 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-0179 この回路ソルーションにはレール to レール入力のアンプを必 要とします。デュアル・オペアンプ AD8657 は低電力、レー ル to レールなので最適な選択です。このオペアンプは規定の 電源電圧、入力同相電圧範囲で動作する時、 電源電流は 22 µAtyp です。このオペアンプは又単位電流当たりの優れたノ イズと帯域幅を提供します。AD8657 は 18 V までの電源電圧 で動作するオペアンプとしては電力が最も小さなオペアンプ の１つです。 14 12 10 8 6 4 2 3328 3584 3840 4096 3584 3840 4096 DAC INPUT CODE 09371-002 3072 3328 0 0 2816 AD5621 は nanoDAC ファミリーの 12 ビット DAC でリファレ ンス ADR125 の 5 V 出力電圧で駆動します。この DAC は出力 バッファを内蔵しているので出力はレール to レールに振れ、 高ダイナミック出力範囲になっております。AD5621 の標準 的な電源電流は 5V の電源電圧で 75 µA です。 16 3072 VDAC の 0 V ～ 5 V の範囲で、回路は 0 mA ～20 mA の電流出 力を発生します。 18 2560 (3) 20 2304 IOUT = IR2 = (VDAC/RSENSE ) × ( R1/R2) この回路は 0 mA - 20 mA の電流を出力します。図 2.は この回 路から 250 Ω 負荷抵抗に流れる出力電流の測定値を示します。 図 3.は出力電流の誤差曲線です。 2048 RSENSE を流れる電流は VDAC の関数として 0 mA から 2 mA ま で変化します。この電流は R1 を流れて電圧を発生し、 アン プ AD8657（A2)の非反転入力の電圧を決定します。A2 の AD8657 は閉ループなので反転入力電圧は非反転入力と同じ 電圧になります。従って、R1 を流れる電流は R2 を流れる電 流に対してファクタ 10 でミラーの関係になっています。この 関係を式 3 に示します。 1792 (2) 1536 ISENSE = VDAC/RSENSE 1280 DAC 出力電圧は検出抵抗 RSENSE を流れる電流を設定します。 （図 1.には示されていませんが）バイパス用コンデンサが必 要です。この場合、0.1 µF セラミック・コンデンサと並列の 10 µF タンタルコンデンサは各デュアル・オペアンプの各電源 ピンに接続する必要があります。適切なデカップリング技術 の詳細は Tutorial MT-101 に記述されています。 768 ここで: VREF は ADR125 の出力で AD5621 の電源になります。 D は、AD5621 にロードされるバイナリ・コードの 10 進数相 当値です。 1024 (1) 512 VDAC = VREF × (D/212) 256 工業用プロセス・コントロールのモジュールでは、 4 mA-20 mA 電流ループ・トランスミッタがコントロール・ユニット とアクチュエータ間の通信手段として使用されます。12 ビッ ト DAC の AD5621 はコントロール・ユニットに配置され、入 力コードの関数として 0 V～5 V の出力電圧（VDAC）を発生し ます。コードは SPI インターフェースを介して設定されます。 入力コードと出力電圧の理想的な関係は次式で与えられます。 ADR125 は高精度、マイクロパワー、低ドロップアウト （LDO)の電源リファレンスです。18 V の入力電圧で、静止電 流は 95 µAtyp のみです。LDO 電圧リファレンスを選択した理 由はコントロール・ユニットからアクチュエータへのループ 線全体の電圧ドロップをより大きくとれるからです。 ADR125 は安定化のために出力に小さな 0.1 µF コンデンサを 必要とします。さらに 0.1 µF～10 µF のコンデンサを並列に追 加する事により、負荷の過度応答特性を向上する事ができま す。（要求はされませんが）入力コンデンサの接続をお勧め します。入力に 1 µF ～10 µF のコンデンサを接続すると、突 然の電源電圧変化があった場合の過度応答を改善します。さ らにコンデンサ 0.1 µF を並列に追加すると電源ノイズの低減 に役立ちます。 OUTPUT CURRENT IOUT (mA) 回路説明 図 2.0 mA -20 mA 出力電流 1.0 READING ERROR (%) 0.8 0.6 0.4 0.2 DAC INPUT CODE 図 3.出力電流誤差曲線 Rev. 0 | Page 2 of 3 09371-003 2816 2560 2304 2048 1792 1536 1280 1024 768 512 0 256 0 CN-0179 バリエーション回路 14 ビット又は 16 ビット分解能ソルーションには、それぞれ AD5641 又は AD5662 をご検討ください。AD8657 の代わりに 6 V CMOS オペアンプの ADA4665-2 を使用する事もできます。 ASA4665-2 はコスト・パーフォーマンスがより優れており、電 圧ノイズもさらに低くなりますが、電源電流は高くなります。 このアプリケーションのためにオペアンプを選択する時、入力 同相電圧範囲や電源電圧が常にオペアンプの仕様を超えない事 を確認してください。 ● Kester, Walt.2005The Data Conversion Handbook.Chapters 3 and 7.Analog Devices. ● MT-015 Tutorial, Basic DAC Architectures II:Binary DACs.Analog Devices. ● MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of “AGND” and “DGND.”Analog Devices. ● MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques.Analog Devices. ● Voltage Reference Wizard Design Tool. より高い電源電圧に対しては、36V までの電源電圧で動作可能 な電圧リファレンス ADR02 をご検討ください。 さらに詳しくは データシート AD8657 Data Sheet ● AN-202：デカップリング、グラウンディング、変更をうま く行うためのIC アンプ・ユーザズ・ガイド. ● AN-345：低周波回路と高周波回路のグラウンド設計. ADR125 Data Sheet AD5621 Data Sheet AD5641 Data Sheet ● AN-347：シールディングとガーディング. AD5662 Data Sheet ● Colm Slattery, Derrick Hartmann, and Li Ke, “PLC Evaluation Board Simplifies Design of Industrial Process Control Systems,” Analog Dialogue (April 2009). ● Jung, Walt.Op Amp Applications, Analog Devices.Also available as Op Amp Applications Handbook, Elsevier. ADA4665-2 Data Sheet ADR02 Data Sheet 改訂履歴 11/10—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。 2010 商標および登録商標は各社の所有に属します。 Rev. 0 | Page 3 of 3