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-0234 接続／参考にしたデバイス Circuits from the Lab™ 実用回路は今日のアナログ・ミ ックスド・シグナル、RF 回路の設計上の課題の解決 に役立つ迅速で容易なシステム統合を行うために作 製、テストされました。詳しい情報と支援について は www.analog.com/jp/CN0234 をご覧ください。 ADA4505-2 マイクロパワー・レール to レール I/O デュアル・オペアンプ ADR291 マイクロパワー2.5 V 電圧リファレンス ADP2503 2.5 MHz 降圧／昇圧 DC/DC コンバータ AD7798 16 ビット、低消費電力、Σ-Δ ADC 電気化学センサーを使用した単電源、マイクロパワー毒ガス検出器 る計測器に対して多くの利点があります。ほとんどのセンサ ーはガスによって決まっており、百万個に１個（ppm）以 下のガス濃度でも使用可能な分解能があります。それらはご くわずかな電流で動作するので携帯用バッテリ駆動計測器に 最適です。 評価と設計支援 回路評価基板 CN-0234 回路評価用ボード（EVAL-CN234-SDPZ） システム・デモ用プラットホーム（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 図 1 に示す回路で最大入力バイアス電流 2 pA（室温）、消費 電流がわずか 10 µA／アンプのデュアル・マイクロパワー・ アンプ ADA4505-2 を使用します。さらに、高精度、低ノイズ、 マイクロパワー・レファレンスの ADR291 は消費電流がわず か 12 µA で、2.5 V コモンモード仮想グラウンド・リファレン ス電圧を定めます。 回路の機能とその利点 図 1 に示した回路は電気化学センサーを使用した単電源、低 消費電力バッテリ駆動、携帯用ガス検出器です。例として Alphasense 社の一酸化炭素センサーCO-AX を使用しました。 電気化学センサーは数多くの毒ガスの濃度を検出又は測定す 3.3V 5V, AVCC VREF AVCC U1 2 VIN VOUT 6 2.5V GND 4 C1 0.1µF 3 C2 0.1µF U3 U2-A 8 ADA4505-2 1 1 2 C4 0.02µF C3 0.02µF R1 11kΩ CO-AX 2 CE WE G + R6 1kΩ B2 2 1 + R8 11.5kΩ G R5 100kΩ AIN1(−) DOUT/RDY AIN1(+) TO SDP DIN AD7798 C6 10µF SCLK CS GND REFIN(−) AGND R3 1MΩ 2 ADP2503ACPZ Q2 NTR2101PT1GOSCT D S 1 C5 0.02µF AVCC R2 11kΩ J3-2 DGND 4 R4 33Ω Q1 MMBFJ177 D S 1 J3-1 6 RE 3 2.5V ADA4505-2 5 L1 1.5µH 2.5V TO 5.5V EXTERNAL INPUT REFIN(+) AVDD DVDD U2-B AVCC ADR291GR 4 SW1 5 PVIN 8 VIN SW2 2 VOUT 1 FB 10 7 SYNC/ MODE EN 6 PGND 3 AGND 9 5V VCC 5V AVCC L2 1k AT 100MHz C10 22µF C9 22µF R7 330kΩ C11 0.1µF C12 0.1µF C13 2.2µF R6 36.5kΩ B1 10129-001 2 図 1 低消費電力ガス検出回路 Rev. 0 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、それぞれの 所有者の財産です。 ※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。 ©2012 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-0234 回路ノート 高効率、降圧／昇圧レギュレータ ADP2503 は 2 本の単 4 電池 による単電源動作が可能で、パワーセーブ・モード動作時の 消費電力はわずか 38 µA です。 図 1 に示す回路の全消費電力（ADC の AD7798 を除く）は通 常状態（ガスが検出されない）で 110 µA、最悪の状態（2000 ppm の CO 検出時）では 460 µA です。AD7798 の消費電流は 動作（G = 1、バッファ・モード）時には約 180 µA で、パワ ーセーブ・モードではわずか 1 µA です。 回路の消費電力は極めて低いので、電源は 2 本の単 4 電池で 動作可能です。ADC とマイクロコントローラに接続した時、 あるいは ADC 内蔵マイクロコントローラに接続した時、バッ テリの寿命は 6 ケ月～1 年になります。 回路の説明 図 2 は電気化学センサー計測回路の簡略図です。電気化学セ ンサーはガスが膜を通してセンサーに拡散し、作用電極 （WE）と相互作用する事によって動作します。センサー・参 照電極（RE）はフィードバックを行い、WE 端子の電位が一 定になるように、対極（CE）の電圧を調整します。WE 端子 での電流の方向は起こる反応が酸化か還元かに依存します。 一酸化炭素の場合、酸化が起こります；従って、電流は作用 電極に流れ込むので、カウンタ電極は作用電極を規準に負電 圧（一般的に 300 mV ～ 400 mV）になります。CE 端子を駆 動するオペアンプの出力電圧は異なるタイプのセンサーでの 動作に対して十分なヘッドルームを持たせるために VREF を規 準に約±1 V の範囲を持つ必要があります（Alphasense Application Note AAN-105-03, Designing a Potentiostatic Circuit, Alphasense, Ltd）。 IWE + RE CE IWE SENSOR 警告：一酸化炭素は毒ガスで 250 ppm 以上の濃度は危険で す；従って、この回路をテストする際には十分に注意をして ください。 表 1.代表的な一酸化炭素センサーの仕様 Parameter Sensitivity Response Time (t90 from 0 ppm to 400 ppm CO) Range (ppm CO, Guaranteed Performance) Overrange Limit (Specifications Not Guaranteed) Value 55 nA/ppm to 100 nA/ppm (65 nA/ppm typ) <30 sec 0 ppm to 2,000 ppm 4,000 ppm トランスインピーダンス・アンプの出力電圧は次の式です。 VO = 2.5 V + IWE × RF (1) ここで IWE は WE 端子に入力する電流で RF はトランスインピ ーダンス帰還抵抗です（図 1 で R8 として示されている）。 CO-AX センサーの最大応答は 100 nA/ppm で、その最大入力 範囲は一酸化炭素 2000 ppm です。この結果、最大出力電流は 200uA となり、最大出力電圧は式 2 に示すようにトランスイ ンピーダンスの値によって決まります。 RF WE IWE この回路ノートのために選択されたセンサーは Alphasense 社 の一酸化炭素センサーCO-AX です。表 1 はこの汎用タイプの 一酸化炭素センサーに関する代表的な仕様です。 VOUT 10129-002 – VREF VREF アンプ U2-A は CE 端子から十分な電流を吸い込み、センサー の WE 端子と RE 端子間の電位を 0 V に保ちます。RE 端子は U2-A の反転入力に接続されます；従って、電流の出入りはあ りません。これは電流が WE 端子から来る事を意味します、 そしてその電流はガス濃度に対して直線的に変化します。ト ランスインピーダンス・アンプ U2-B はセンサーの電流をガ ス濃度に比例した電圧に変換します。 92 = 2.5 9 + 2000 SSP × 100 図 2 簡略化した電気化学センサー回路 WE 端子に流れ込む電流はガス濃度 1ppm あたり 100 nA 以下 です；従って、この電流を出力電圧に変換するには超低入力 バイアス電流のトランスインピーダンス・アンプを必要とし ます。オペアンプ ADA4505-2 は CMOS 入力で最大入力バイ アス電流が 2 pA（室温）なのでこのアプリケーションに最適 です。 2.5 V ADR291 は回路の仮想グラウンド規準を設定し、回路の 単電源動作が可能になると共に、静止電流が非常に小さくな ります。 Q$ × 5) SSP VO = 2.5 V + 200 µA × RF (2) 回路を電源 5 V で駆動する事により、トランスインピーダン ス・アンプ U2-B の出力の使用可能範囲が 2.5V になります。 トランスインピーダンスの帰還抵抗を 11.5 kΩ 抵抗にすると 最大出力電圧が 4.8 V となり約 8%のオーバーレンジ機能を持 たせる事ができます。 センサーの標準応答 65 nA/ppm を使用し、式 3 は回路出力電 圧を一酸化炭素の ppm の関数として示します。 92 = 2.5 9 + 748 Rev. 0 | Page 2 of 5 µ9 SSP (3) CN-0234 回路ノート 抵抗 R4 はノイズ・ゲインを適正なレベルに保ちます。この 抵抗値の選択はノイズ・ゲインの大きさと、高濃度のガスに 暴露された時のセンサーのセトリング・タイムとの妥協点に なります。この回路ノートの回路例では R4 = 33 Ω ですが、 この場合式 4 に示すようにノイズ・ゲインは 349 になります。 1* = 1 + 11.5 NΩ 33 Ω = 349 (4) トランスインピーダンス・アンプの入力ノイズはノイズ・ゲ イン倍増幅され出力に現れます。この回路では、センサーの 動作周波数が極めて低いので、低周波ノイズのみに注目しま す。ADA4505-2 の 0.1 Hz ～10 Hz 入力電圧ノイズは 2.95 µV p-p です； 従って、式 5 に示すように出力でのノイズは 1.03 mV p-p になります。 VOUTPUTNOISE = 2.95 µV × NG = 1.03 mV p-p 図 1 に示す回路を 2 本の単 4 電池で数ケ月間電源を使用可能 ですが、アプリケーションによっては外部電源ソースで動作 させる事ができます。デュアル電源構成を実施するもっとも 効果的な方法はスイッチ内蔵電源ジャックと外部電源プラグ がジャックに挿入された時にバッテリ電源を自動的に取り除 く機械式切断機能を利用する事です。 この回路ノートで説明した回路は非常に低い消費電力で動作 します。ADA4505-2 の代わりに 2 個の ADA4528-1 オペアンプ を使用すると、消費電力は高くなりますが、ノイズが極めて 低くなり、より高精度になります。ADA4528-1 は事実上オフ セットがゼロで業界最先端の低入力電圧ノイズです。 同様に、超低温度ドリフト向けには消費電流が高くなります が、ADR291 を ADR3425 に置き換える事ができます。 (5) これは 1/f ノイズで非常に低い周波数なので、フィルタで除去 するのは極めて困難です。しかし、センサー応答も非常に遅 いので、この事を利用して、カットオフ周波数 0.16 Hz の超 低周波ローパス・フィルタ（R5 と C6）を使用する事ができ ます。そのような低周波数のフィルタでも、センサーの応答 時間 30 秒に比べると、そのセンサー応答時間に対する影響は 無視できます。 電気化学センサーの１つの重要な特性はそれらの時定数が非 常に長い事です。電源を最初に投入した時、出力がその最終 値に安定するまでに数分かかる場合があります。対象ガスの 濃度の中間ステップに晒された時、センサー出力が最終値の 90%に到達するまでに必要な時間は 25 秒～40 秒のオーダーに なる可能性があります。もし RE 端子と WE 端子間の電圧が 突然大きく変化したら、センサーの出力電流が安定するまで に数分かかる可能性があります。この事は又センサーへの電 源がオン、オフを繰り返す時も起こります。スタートアップ 時間が非常に長くなるのを防ぐために、電源が JFET のゲー ト to ソース・スレッショールド電圧（~2.5 V）以下に下がる と、P チャンネル JFET Q1 が RE 端子を WE 端子に短絡します。 回路の電源は 2 本の単 4 電池あるいは 2.3 V ～ 5.5 V 電源によ って給供されます。Q2 は逆電圧保護となり、ADP2503 は入 力電圧をセンサーの電源として必要な 5V にレギュレーショ ンします。 最終的に、図 1 に示す回路は大部分のミックスド・シグナ ル・マイクロコントローラに内蔵されているようなコンバー タのような 12 ビット ADC とのインターフェースに適してい ます。 １ppm の数分の１のガス濃度を測定しなければならないアプ リケーションには、ADA4528-1 や ADR3425 を使用すると AD7798 又は AD7171 のような 16 ビット ADC とのインターフ ェースに適した回路性能が得られます。 回路評価とテスト この回路は EVAL-CN0234-SDPZ 回路評価用ボードと EVALSDP-CB1Z システム・デモ用プラットホーム（SDP） 評価用 ボードを使用します。さらに、2 つの回路ボードをいっしょ に接続するために EVAL-CN0234-SDPZ を含む小さなアダプ タ・ボードが必要となります。EVAL-CN0234-SDPZ には回路 の出力電圧をデジタルに変換する 16-bit Σ-Δ ADC AD7798 が 含まれています。 CN-0234 評価ソフトウェアは SDP ボードと通信し、EVALCN0234-SDPZ 回路評価用ボードからデータを取り込みます。 必要な装置 次の装置が必要です： バリエーション回路 固定トランスインピーダンス抵抗（R8）の代わりに AD5271 のような可変抵抗器を使用すると、異なるガス・センサーで も部品を変える事なく回路を使用する事ができます。AD5271 は 20 kΩ、 50 kΩ、100 kΩ の公称抵抗値が供給可能です。256 ポジションがあるので 100 kΩ オプションの場合 390.6 Ω 刻み になります。AD5271 の抵抗温度係数 5 ppm/°C でほとんどの ディスクリート抵抗よりも優れております。又その消費電流 は 1 µA なのでシステムの消費電力に対してほとんど影響しま せん。 Rev. 0 | Page 3 of 5 • USB ポート付き Windows® XP 又は Windows Vista® （32 ビット）又は Windows® 7（32 ビット）対応の PC • EVAL-CN0234-SDPZ 回路評価用ボードとアダプタ・ボ ード。 • EVAL-SDP-CB1Z SDP 評価用ボード • CN0234 評価ソフトウェア • 2 本の単 4 電池 • 校正用ガス（250 ppm 以下の CO を推奨） CN-0234 回路ノート 始めてみよう CN0234 評価ソフトウェアの CD を PC の CD ドライブに挿入 して評価ソフトウェアをロードしてください。マイコンピュ ータを使用して、評価ソフトウェアの CD を含むドライブを 見つけ、Readme ファイルを開いてください。Readme ファイ ルに含まれているインストラクションに従って、評価ソフト ウェアをインストールし、使用してください。 図 3 にテスト・セットアップの機能ブロック図を示します。 詳細な回路図は EVAL-CN0234-SDPZ-SCH PDF ファイルに載 っております。このファイルは CN0234 Design Support Package に含まれています。 PC J3-2 USB システムの校正データを適用するために、前面パネルの Display Calibrated Data チェックボックスを選択してくださ い。 J3-1 USB AAA SDP EVAL-CN0234-SDPZ Display Calibrated Data チェックボックスにチェックマークを 入れない時、プログラムは公称センサー応答が 65 nA/ppm で オフセットエラーが無いと仮定し、デフォルトのスケーリン グ値で動作します。 CON A OR CON B 10129-003 120-PIN SDP ADAPTER BOARD 120-PIN SDP CO-AX 10-PIN AAA SENSOR このボードの入力信号はガス濃度です； 従って、校正用ガス 源が必要です。一酸化炭素でテストする時、250 ppm が最大 短時間暴露限界である事を考慮してください。 システムの校正を行うために、まず初めに一酸化炭素が存在 しない事を確認してください。データ取得を開始するため、 Start Acquisition をクリックしてください。Calibrate メニュ から Set Zero を選択してください。ADC の読み出し値が問題 なければ、OK をクリックしてください。現在の ADC の読み 出し値がゼロポイントとして保存されます。校正用ガスを供 給してください。そしてセンサー出力が十分に安定したら、 Calibrate メニュから Set Span を選択してください。使用する 校正用ガスの濃度を入力し、OK をクリックしてください。 これはシステムのスパンを保存します。 機能ブロック図 OPTIONAL EXTERNAL 2.5V TO 5.5V CN0234 評価ソフトウェアの readme ファイルに、評価ソフト ウェアを使用してデータ取り込みを行う方法についての情報 と詳細が含まれています。SDP ユーザー・ガイドには SDP ボ ードに関する情報が含まれています。 図 3 テスト・セットアップ機能ブロック図 セットアップ EVAL-CN0234-SDPZ の 10 ピン・コネクタをアダプタ・ボー ドに接続し、アダプタ・ボードの 120 ピン・コネクタを EVAL-SDP-CB1Z SDP 評価用ボードの CON A コネクタに接続 してください。120 ピン・コネクタの末端にある穴を利用し て、アダプタ・ボードを SDP ボードへしっかり固定するため にナイロン製ハードウェアを使用してください。電気化学セ ンサーを EVAL-CN0234-SDPZ 回路評価用ボードのソケット に接続してください。 校正データをファイルに保存するために、File メニュから Save Calibration Constants を選択してください。同様に、前 に保存した校正データを使用する場合は Load Calibration Constants from File を選択してください。 図 4 は一酸化炭素の 50 ppm ステップに対する回路の応答を示 します。初めの立ち上がり時間の速さはセンサーの応答に依 存し、長いテールはテスト・チャンバの関数です。 電源スイッチをオフ・ポジションにして、バッテリ・ホルダ に単 4 電池を挿入してください。 SDP ボードと共に供給される USB ケーブルを PC の USB ポー トと SDP ボードへ接続してください。SDP ボードの電源は PC の USB ポートから得ます。 EVAL-CN0234-SDPZ 回路ボードの電源スイッチをオン・ポジ ションに動かし、評価ソフトウェアを立ち上げてください。 アナログ・デバイセズ・システム開発プラットホーム・ドラ イバがデバイス・マネージャに現れれば、ソフトウェアは SDP ボードと通信する事ができるようになります。一度 USB 通信が確立されれば、SDP ボードは、EVAL-CN0234-SDPZ 回 路評価用ボードから来るシリアル・データの送信、受信、取 り込みを行う事ができます。 10129-004 テスト 図 4 一酸化炭素の 0 ppm から 50 ppm へのステップに対する応答 Rev. 0 | Page 4 of 5 CN-0234 回路ノート 図 5 は速やかにセンサーを 50 ppm CO の雰囲気から取り除い た後の回路応答を示しますが、これは回路性能のよい表現形 式です。 さらに詳しくは CN-0234 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0234-DesignSupport MT-035 Tutorial : Op Amp Inputs, Outputs, Single-Supply, and Rail-to-Rail Issues ADIsimPower 設計ツール Alphasense Application Note AAN-105-03, Designing a Potentiostatic Circuit, Alphasense Limited. データシードと評価用ボード CN-0234 回路評価用ボード（EVAL-CN0234-SDPZ） システム・デモ用プラットホーム（EVAL-SDP-CB1Z） ADA4505-2 データシート ADR291 データシート ADP2503 データシート 10129-005 AD7798 データシート 改訂履歴 03/12—Revision 0:初版 図 5 一酸化炭素の 50 ppm から 0 ppm へのステップ応答 「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。 ©2012 Analog Devices, Inc. All rights reserved. 商標および登録商標は、それぞれの所有者の財産です。 &1 Rev. 0 | Page 5 of 5