設計の説明

この設計は、動作時消費電力がわずかnW単位のSAR ADCの駆動に用いる超低消費電力アンプを示しています。この設計は、システム レベルの消費電力をわずか数µWに抑えることができ、センサ データの収集に適しています。この SAR ADC 設計を活用できる実装の例として、PIR センサ、ガス センサ、血糖モニタが挙げられます。「部品選定」の値を調整して、さまざまなデータ スループット レート、さまざまな帯域幅のアンプを実現できます。低消費電力センサ測定：3.3V、1ksps、12 ビット、シングルエンド、デュアル電源では、負電源を小さい負電圧 (-0.3V) に接続する、この回路の高性能版を示しています。単一電源版では、アンプの出力が0Vに近くなると性能が低下します。ただし、ほとんどの場合、シンプルであるため単一電源構成の方が好まれます。

仕様

デザイン ノート

1. 同相、出力振幅、線形開ループ ゲインの仕様に基づいて、オペアンプの線形範囲を特定します。これについては「部品選定」で説明します。
2. 歪みを最小限に抑えるために、COGコンデンサを選定します。
3. 歪みを最小限に抑えるために、0.1% 20ppm/℃以下の薄膜抵抗を使用します。
4. 『TI Precision Labs – ADCs』トレーニング ビデオ シリーズで、電荷バケツ回路 Rfilt と Cfilt の選定方法について説明しています。これらの部品の値はアンプの帯域幅、データ コンバータのサンプリング レート、データ コンバータの設計に依存します。ここに示されている値を使用すると、この例のアンプとデータ コンバータで適切なセトリングと AC 性能が得られます。この設計を変更する場合は、別の RC フィルタを選定する必要があります。最良のセトリングと AC 性能を実現する RC フィルタの選定方法については、『SAR ADC フロント エンド コンポーネント選定の概要』トレーニング ビデオを参照してください。

部品選定

1. 低消費電力オペアンプを選定します。
   • 消費電流: 0.5µA未満
   • ゲイン帯域幅積: 5kHz超(サンプリング レートの5倍)
   • ユニティ ゲイン安定
   • このクックブックでは、LPV811を選定しました。LPV811は消費電流450nA、ゲイン帯域幅積8kHz、ユニティ ゲイン安定を特長としています。
2. 線形動作に対応するオペアンプの最大/最小出力を求めます。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}+0\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-0.9\mathrm{V} \text{from LPV811 Vcm specification}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}+10\mathrm{mV}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-10\mathrm{mV} \text{from LPV811 Vout swing specification}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}}+0.3\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{out}}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-0.3\mathrm{V} \text{from LPV811 Aol linear region specification}$
   $0.3\mathrm{V}<{\mathrm{V}}_{\mathrm{in}}<3.4\mathrm{V} \text{Combined worst case}$
   注: LPV811の線形範囲はGNDから300mVです。つまり、0V～3.3V (ADS7042 のフルスケール範囲 (FSR)) のフル線形範囲を保証するようにシステムを設計するには、負電源が必要です。この設計は、負電源電圧を使用せずに全測定結果でADS7042のSNRとTHDの仕様を満たすことを示しています。このテストは室温のみで、より堅牢なシステムで行われました。『低消費電力センサ測定：3.3V、1ksps、12 ビット シングルエンド、デュアル電源』では、この設計でグランドの代わりに負電源を使用する例を示しています。
3. 推定値による標準消費電力計算(1ksps時)。
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{AVDD\_Avg}}\times \mathrm{AVDD}=230\mathrm{nA}\times 3.3\mathrm{V}=759\mathrm{nW}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}={\mathrm{I}}_{\mathrm{LPV}811}\times ({\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}})=450\mathrm{nA}\times (4.5\mathrm{V}-0\mathrm{V})=2.025\mathrm{\mu W}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{total}}={\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}+{\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}=759\mathrm{nW}+2.025\mathrm{\mu W}=2.794\mathrm{\mu W}$
4. 測定値による標準消費電力計算(1ksps時)。
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}={\mathrm{I}}_{\mathrm{AVDD\_Avg}}\times \mathrm{AVDD}=214\mathrm{nA}\times 3.3\mathrm{V}=709\mathrm{nW}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}={\mathrm{I}}_{\mathrm{LPV}811}\times ({\mathrm{V}}_{\mathrm{dd}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{ee}})=431.6\mathrm{nA}\times (4.5\mathrm{V}-0\mathrm{V})=1.942\mathrm{\mu W}$
   ${\mathrm{P}}_{\mathrm{total}}={\mathrm{P}}_{\mathrm{AVDD}}+{\mathrm{P}}_{\mathrm{LPV}811}=709\mathrm{nW}+1.942\mathrm{\mu W}=2.651\mathrm{\mu W}$
5. 1kspsでセトリングを実現するRfiltとCfiltを求めます。『Rfilt 値と Cfilt 値の微調整』(Precision Labs のビデオ) では、Rfilt と Cfilt を選定するアルゴリズムを示しています。最終的に200kΩと510pFという値で、最下位ビット(LSB)の1/2を優に下回るまでセトリングできることが分かりました。

DC 伝達特性

以下のグラフは、0～3.3Vの入力に対する線形出力応答を示しています。ADCの入力電圧範囲(FSR)はオペアンプの線形範囲内に収まっています。

AC 伝達特性

帯域幅シミュレーションは、アンプの出力インピーダンスと RC 電荷バケツ回路 (R_filt と C_filt) の影響を含んでいます。次の式に示すように、RC 回路の帯域幅は 1.56kHz です。2kHzという帯域幅のシミュレーション結果は、負荷のインピーダンスと相互作用する出力インピーダンスの影響を含んでいます。この件の詳細については、『TI Precision Labs - オペアンプ：帯域幅 1』を参照してください。

ADC 過渡入力電圧セトリング シミュレーション

以下のシミュレーションは、3V DC入力信号へのセトリングを示しています。このようなシミュレーションは、LSBの1/2 (402µV)以内になるようにサンプル/ホールド キックバック回路が適正に選定されていることを示します。この件の詳しい理論については、『Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection』を参照してください。

ノイズ シミュレーション

ここには概算用の簡易なノイズ計算を記載します。抵抗のノイズは 10kHz を超える周波数で減衰するため、この計算では無視します。

計算結果とシミュレーション結果はよく一致しています。この件の詳しい理論については、『Calculating the Total Noise for ADC Systems』を参照してください。

FET 測定

この性能は、ADS7042EVM-PDKに変更を加えて測定しました。AC性能はSNR＝70.8dB、THD＝－82.7dB、ENOB (有効ビット数)＝11.43であることを示しており、ADCの性能仕様: SNR＝70dBとよく一致しています。

使用デバイス

主要なファイルへのリンク

テキサス・インスツルメンツ、LPV811 TINA ファイル、ソフトウェア ダウンロード