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-0198 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/CN0198 をご覧 ください。 AD5755 ダイナミック消費電力制御付きの 4 チ ャンネル、16 ビット、電圧出力 DAC ADP230 0 700 kHz の非同期降圧レギュレータ ダイナミック消費電力制御付き DAC に大きな過渡電流を供給する 5 V レギュレータ を確保するため、従来の 4mA～20ｍA 出力段は、少なくとも 20 V（プラスいくらかの追加ヘッドルーム）で動作する必要 があり、大きな抵抗性負荷をドライブするための十分な電圧 が供給出来なければなりません。には、しかしながら、、値 の小さな抵抗性負荷の場合、固定の高電圧電源は内部消費電 力が大きくなるため DAC の精度に影響を与える可能性があり、 追加のヒートシンクが必要になることがあります。 評価と設計サポート環境 回路評価基板 AD5755 評価ボード (EVAL-AD5755SDZ) 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) ADP2300 評価ボード (ADP2300-EVALZ) 設計と統合ファイル AD5755 クワッド 16 ビット DAC は、4 mA～20 mA 出力の実際 の電圧を検出し、それに基づいてダイナミックに調整された昇 圧電圧を供給する 4 個の独立した高効率 DC/DC コンバータを 内蔵しています。負荷抵抗値に関係なく、昇圧回路が出力段 のヘッドルームを数ボルトに維持します。それによって、10 Ω 負荷に 24 mA 出力電流が流れる場合、最大内部消費電力を 約 1/4 に減らします。 回路図、レイアウト・ファイル、部品表 回路の機能とその利点 図 1 の回路は、D/A コンバータ（DAC）をベースにした、4 mA ～20 mA 出力回路のユニークな省電力ソリューションです。10 Ω～1000 Ω の標準的抵抗性負荷に対して十分なヘッドルーム –15V +15V NOTE: x = A, B, C ,AND D ADP2300 DC-TO-DC CONVERTER CIRCUIT AVSS –15V AGND AVDD +15V AVCC 5.0V SWx DC-TO-DC CONVERTER DVDD VBOOST_x 7.4V TO 29.5V DGND LDAC SCLK SDIN SYNC DIGITAL INTERFACE SDO + DAC A CLEAR FAULT GAIN REG A OFFSET REG A ALERT AD1 CURRENT AND VOLTAGE OUTPUT RANGE SCALING IOUT_x RSET_x AD0 +VSENSE_x VOUT_x REFOUT REFERENCE –VSENSE_x DAC CHANNEL A AD5755 DAC CHANNEL B DAC CHANNEL C 09688-001 REFIN DAC CHANNEL D 図 1．電源回路を改良した電流および電圧出力 DAC（簡略回路図：全接続の一部と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-0198 回路ノート DC/DC コンバータ 内部 DC/DC コンバータは外部 5 V 電源を必要としますが、 DAC 出力がフルスケールまでスイングしても大きな電流を引 き込むことが出来ます。ADP2300 をベースにした高効率外部 DC/DC コンバータ回路が 15 V でドライブされ、この電圧を 供給します。ADP2300 は 800 mA までの大きな電流ステップ に対する過渡応答が優れており、昇圧コンバータの適切な動 作を保証し、別の 5 V 電源を不要にします。 AD5755 は 4 個の独立した DC/DC コンバータを内蔵していま す。それらはそれぞれのチャンネルの VBOOST_X 電源電圧を動 的に制御します。DC/DC 回路に必要なディスクリート部品を 図 2 に示します。以下のセクションでこの回路の動作を説明 します。 回路説明 DDCDC 10µH CIN ≥10µF CDCDC 4.7µH RFILTER 10Ω CFILTER 0.1µF SWX VBOOST_x 図 2．DC/DC の外部回路 CDCDC の後に 10 Ω、100 nF のローパス RC フィルタを配置す ることを推奨します。これは電力を少し消費しますが、 VBOOST_X 電源のリップルを低減します。 この回路は AD5755 のスルーレート制御およびダイナミック 消費電力制御機能を強化して、フル機能で堅牢な DAC ソリュ ーションを実現します。ADP2300 を使った簡単な降圧 DC/DC コンバータの実装により、この回路は、AD5755 の出力が大 きく変化するのに必要な通常より高い電源電流を供給するこ とができます。 LDCDC、CDCDC、および DDCDC の推奨部品値を表 1 に示します。 表 1．DC/DC コンバータのディスクリート部品 記号 部品 値 LDCDC XAL4040-103 10 µH CDCDC GRM32ER71H475KA88L 4.7 µF DDCDC PMEG3010BEA 0.38 VF AD5755 は、デジタル・データをアナログ電流（たとえば、0 mA～20 mA、4 mA～24 mA、または 0 mA～24 mA）または電 圧出力（0 V～5 V、0 V～10 V、±5 V、または±10 V）へ変換す る標準的 DAC のように動作します。AD5755 は−26.4 V までの 拡張 AVSS 電源範囲、および+33.0 V までの AVDD 範囲で動作し ます。 メーカー Coilcraft Murata NXP DC/DC コンバータの動作 消費電力制御 標準的電流制御モジュールまたはアクチュエータの設計では、 負荷抵抗値は一般に 50 Ω～750 Ω の範囲で変えることができ ますが、10 Ω まで下げることも、1 kΩ まで上げることもでき ます。4 mA～20 mA 出力ドライバ段は負荷抵抗値の全範囲に 対して十分なヘッドルームを与える電源電圧で動作させる必 要があります。 たとえば、24 mA で 1 kΩ 負荷をドライブするとき、3 V のヘ ッドルームが必要だと仮定すると、27 V を上回る電源電圧が必 要です。この場合、出力ドライバによるパッケージ内部の消 費電力は 3 V × 24 mA = 72 mW です。ただし、同じ 27 V の電 源電圧で 10 Ω 負荷をドライブするとき、ドライバによる内部 消費電力はおよそ 27 V × 24 mA = 648 mW になります。クワッ ド DAC の場合、2.5 W を超えます。 内蔵 DC/DC コンバータは固定周波数のピーク電流モード制御 回路を使って、4.5 V の AVCC 入力を 5.5 V に昇圧し、AD5755 の出力チャンネルをドライブします。これらは、デューティ・ サイクルが Typ< 90%の不連続導通モード(DCM)で動作するよ うに設計されています。 不連続導通モードは、スイッチング・サイクルのかなりの部 分でインダクタ電流がゼロになる動作モードを指します。 DC/DC コンバータは非同期なので、外付けのショットキー・ダ イオードが必要です。 DC/DC コンバータの出力電圧 チャンネルの電流出力がイネーブルされると、コンバータは VBOOST_X 電源を 7.4 V (±5%)または(IOUT × RLOAD + ヘッドルーム) のどちらか高い方の電圧に安定化します。ヘッドルーム電圧は 約 3 V です。 出力がディスエーブルされた電圧出力モードでは、コンバー タは VBOOST_X 電源を+15 V (±5%)に安定化します。出力がディ スエーブルされた電流出力モードでは、コンバータは VBOOST_X 電源を 7.4 V (±5%)に安定化します。 AD5755 回路は出力電圧を検出し、昇圧電源の電圧を、電源電 圧要件に十分なヘッドルームを加えた電圧に動的に安定化し ます。24 mA の出力で 10 Ω をドライブする場合、昇圧電圧が 7.4 V のとき、内部の消費電力はわずか 7.4 V × 24 mA = 178 mW です。これは、制御されない場合に比べて 1/4 に近い省電力 に相当します。 チャンネル内では、VOUT_X 段と IOUT_X 段は VBOOST_X 電源を共 有するので、IOUT_X 段と VOUT_X 段の出力を結合することがで きます。 5V 入力で動作する 4 個の独立した DC/DC コンバータによっ て、4 つの DAC 出力のそれぞれに別個の昇圧電源電圧を発生 します。 Rev. 0 AVCC 09688-002 LDCDC 回路全体は±15 V 電源で動作するので、DAC は（4 mA～20 mA の出力に加えて）工業用信号レベルの範囲である最大±10 V を カバーする電圧出力を与えることができます。必要な外付け 部品数を少なく抑え、変化する負荷状態で 16 ビットの性能を 保証する低価格で電力効率の高いソリューションを与えます。 －2/6 － CN-0198 回路ノート DC/DC コンバータのセトリング時間 AVCC 電源の静的電流要件 電流出力モードにおいて、約 1 V (IOUT × RLOAD)より大きなス テップのセトリング時間は DC/DC コンバータのセトリング時 間によって決まります。例外は、IOUT_X ピンに必要な電圧にコ ンプライアンス電圧を加えた電圧が 7.4 V (±5%)を下回るときで す。小さな負荷のセトリング時間は高速になります。24 mA より小さな電流ステップのセトリング時間も高速になります。 DC/DC コンバータは次の VBOOST_X 電圧を供給するように設計さ れています。 VBOOST = IOUT × RLOAD + ヘッドルーム つまり、負荷と出力電圧を固定した場合、DC/DC コンバータ の出力電流は次のように計算することができます。 DC/DC コンバータの VMAX の機能性 AI CC = VBOOST_X の最大電圧は、DC/DC 制御レジスタで設定されます。 この最大電圧に達すると、DC/DC コンバータはディスエーブ ルされ、VBOOST_X 電圧を約 0.4 V だけ減衰させます。電圧が減 衰した後 DC/DC コンバータは再度イネーブルされ、必要に応 じて、電圧は再度 VMAX まで上昇します。 29.6 VMAX DC-DC BIT 29.5 AVCC 電源の遷移電流の要件 出力が遷移しているときは、DC/DC コンバータの出力容量を 充電するため出力電力が増加します。そのため、AICC 電流の 要件は静的動作の場合より大きくなります。十分な AICC 電流 が供給されないと、AVCC 電圧が低下します。このような AVCC の低下により、出力遷移に必要な AICC 電流はさらに増 加します。このことは、AVCC 電圧がさらに低下し、VBOOST_X 電圧、つまり出力電圧がその所定の値に決して達しない可能 性があることを意味します。この AVCC 電圧は全てのチャン ネルに共通なので、他のチャンネルにも影響を与える可能性 があります。 VBOOST_x VOLTAGE (mV) 29.3 29.2 29.1 DC-DC MaxV = 29.5V fSW = 410kHz 28.9 TA = 25°C 28.8 28.7 ADP2300 の AVCC 電源 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 TIME (ms) 3.0 3.5 4.0 09688-003 DC-DCx BIT = 0 28.6 0 Efficiency× AVCC I OUT × VBOOST ηVBOOST × AVCC ηVBOOST は分数で表した VBOOST_X の効率です。 0mA TO 24mA RANGE, 24mA OUTPUT OUTPUT UNLOADED DC-DCx BIT = 1 = ここで、 IOUT はアンペアで表した IOUT_X からの出力電流です。 29.4 29.0 Power Out 前に説明したように、AD5755 の電源電流要件を満たす簡単 な 5 V レールを生成するのに ADP2300 およびいくつかのディ スクリート部品が使われています。出力電圧は、図 4 に示す ように、出力電圧から FB ピンに接続した抵抗分圧回路によ って外部で設定されます。 図 3．VMAX の動作 図 3 に示すように、状態レジスタ内の DC-DCx ビットは、 AD5755 が VMAX 値まで上昇中はアサートされ、電圧が VMAX − 0.4 V まで減衰中はデアサートされます。 L1 10µH J2 VOUT J4 C4 NC C3 22µF C1 0.1µF D1 B230A GND U1 1 BST SW 6 2 GND VIN 5 J1 R4 10kΩ 3 FB EN ADP2300 (700kHz) VIN C2 10µF 4 R1 10kΩ R3 1.8kΩ 1 2 3 J5 EN 図 4．ADP2300 の標準的アプリケーション（ADP2300 評価用ボード） Rev. 0 －3/6 － J3 GND 09688-004 R2 52.3kΩ CN-0198 回路ノート 0.016 全てのテスト・データは、EVAL-AD5755SDZ ボード、 EVAL-SDP-CB1Z ボード、および ADP2300-EVALZ ボードを 使って得られました。ADP2300 回路を使ったシステムの積分 非直線性(INL)、微分非直線性(DNL)、および総合未調整誤差 (TUE)をそれぞれ図 5、図 6、および図 7 に示します。全ての測 定で、AD5755 昇圧レギュレータがアクティブでした。 0.014 TOTAL UNADJUSTED ERROR (% FSR) テスト・データと結果 システムのドキュメント一式が CN0198 デザイン・サポー ト・パッケージに含まれています。 0.0015 0.012 0.010 +5V RANGE +10V RANGE ±5V RANGE ±10V RANGE 0.008 0.006 0.004 0.002 0 INL ERROR (% FSR) DAC CODE 0.0005 09688-007 8 2268 4528 6788 9048 11308 13568 15828 18088 20348 22608 24868 27128 29388 31648 33908 36168 38428 40688 42948 45208 47468 49728 51988 54248 56508 58768 61028 63288 –0.002 0.0010 図 7．電圧出力の TUE 0 バリエーション回路 AD5755-1 は AD5755 に類似しています。ただし、HART 接続 に対応しています。各チャンネルは、それぞれ対応する CHARTx ピンを備えており、HART 信号を AD5755-1 の電流 出力に結合させることが出来ます。 –0.0005 +5V RANGE +10V RANGE ±5V RANGE ±10V RANGE –0.0010 回路評価とテスト この回路には EVAL-AD5755SDZ 回路ボードと EVAL-SDPCB1Z システム・デモンストレーション・プラットフォーム (SDP)評価用ボードが使用されています。2 枚のボードは 120 ピンコネクタを備えているので、短時間で組み立てて回路の 性能を評価することができます。 09688-005 8 2538 5068 7598 10128 12658 15188 17718 20248 22778 25308 27838 30368 32898 35428 37958 40488 43018 45548 48078 50608 53138 55668 58198 60728 63258 –0.0015 DAC CODE 図 5．電圧出力の INL 0.3 EVAL-AD5755SDZ 回路ボードには評価対象の回路が含まれて おり、データをキャプチャするために SDP 評価用ボードが AD5755 評価用ソフトウェアと一緒に使われています。 0.2 DNL ERROR (LSB) 0.1 0 必要な装置 –0.1 以下の装置類が必要になります： –0.2 • USB ポート付き PC および Windows® XP、Windows Vista® (32 ビット)、または Windows 7 (32 ビット) –0.3 –0.4 • EVAL-AD5755SDZ 回路ボード +5V RANGE +10V RANGE ±5V RANGE ±10V RANGE • EVAL-SDP-CB1Z SDP 評価用ボード • ADP2300-EVALZ 評価用ボード DAC CODE • AD5755 評価用ソフトウェア 09688-006 8 1788 3568 5348 7128 8908 10688 12468 14248 16028 17808 19588 21368 23148 24928 26708 28488 30268 32048 33828 35608 37388 39168 40948 42728 44508 46288 48068 49848 51628 53408 55188 56968 58748 60528 62308 64088 –0.5 • 電源：±15 V 図 6．電圧出力の DNL • デジタル・マルチメータ（Agilent 34401A 等） • GPIB-USB ケーブル（DAC からアナログ・データをキャプ チャして PC に送信する場合にだけ必要） Rev. 0 －4/6 － CN-0198 回路ノート 評価開始にあたって 電源をオフにした状態で、以下の手順で組み立てます。 AD5755 評価用ソフトウェア の CD をセットして PC にロード します。マイコンピュータから評価用ソフトウェア CD を挿 入したドライブを探し、Readme ファイルを開きます。 Readme ファイルの指示に従って評価用ソフトウェアをイン ストールし、使用します。 • • • • 機能ブロック図 • 図 8 にテスト・セットアップのブロック図を示します。 EVAL-CN0198-SDPZ-SCH-RevX.pdf ファイルには回路図が含 まれています。このファイルは CN0198 デザイン・サポー ト・パッケージに含まれています。 テスト ADP2300-EVALZ の電源と EVAL-AD5755SDZ の電源をオンに します。 ±15V POWER SUPPLY USB ケーブルを PC から SDP ボードの mini-USB コネクタに接 続し、評価用ソフトウェアを立ち上げます。 PC GND +15V USB 通信が確立したら、SDP ボードを使って EVALAD5755SDZ とデータを送受信することができます。 ADP2300-EVALZ −15V +15V J5 GND +5V USB EVAL-SDP-CB1Z に関する情報が SDP User Guide に掲載され ています。 J6 EVAL-AD5755SDZ テスト・セットアップおよびデータ・キャプチャのための評 価用ソフトウェアの使い方に関する詳細な情報が CN-0198 User Guide に掲載されています。 EVAL-SDP-CB1Z 120-PIN CONNECTOR 09688-008 J9 図 8．写真のテスト・セットアップのブロック図 セットアップ EVAL-AD5755SDZ の 120 ピン・コネクタを EVAL-SDP-CB1Z の CON A コネクタに接続します。120 ピンのコネクタの両端 にある孔を使って 2 つのボードをしっかり固定するのにナイ ロン製ハードウェアを使います。 Rev. 0 ±15 V 電源を EVAL-AD5755SDZ の J5 端子ブロックに接 続します。 15 V 電源を ADP2300-EVALZ の入力に接続します。 出力ピンを EVAL-AD5755SDZ の J6 コネクタに接続しま す。 ±15 V 電源を EVAL-AD5755SDZ の J5 コネクタに接続し ます。 SDP ボードに付属している USB ケーブルを PC の USB ポ ートに接続します。注意：このとき USB ケーブルを SDP ボードの mini-USB コネクタに接続しないでください。 －5/6 － CN-0198 09688-009 回路ノート 図 9．EVAL-AD5755SDZ ボードの写真 さらに詳しい資料 データシートと評価ボード CN0198 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0198DesignSupport. AD5755 データシート UG-244 (EVAL-AD5755SDZ Evaluation Board User Guide). Evaluation Board for a Quad-Channel, 16-Bit, Serial Input, 4 mA to 20 mA, Voltage Output DAC with Dynamic Power Control and HART Connectivity. Analog Devices, Inc., 2011. ADP2300 データシート AD5755 評価用ボード ADP2300 評価用ボード 改訂履歴 UG-179 (ADP2300-EVALZ Evaluation Board User Guide). Evaluation Board for the 1.2 A, 20 V Nonsynchronous StepDown Regulators. Analog Devices, 2010. 12/12—Revision 0: 初版 ADIsimPower MT-031 Tutorial：Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND", Analog Devices. MT-101 Tutorial：Decoupling Techniques, Analog Devices. 「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 －