設計の説明

計装アンプは低ノイズ、低オフセット、低ドリフト、高 CMRR、高精度に最適化されています。INA828 計装アンプは ±10V の範囲で差動からシングルエンドへの変換を実行します。INA828 は優れた DC 性能 (オフセット、ドリフト) と十分な帯域幅を備えています。ADS8568 は ±10V のシングルエンド入力に構成できるため、INA828 と組み合わせて使用するのに理想的です。最適なセトリングを実現するには、サンプリング レートを 200kSPS 以下に制限する必要があります。より高いサンプリング レートについては、『バッファ付き計装アンプを使用した高電圧 SAR ADC 駆動回路』を参照してください。また、この設計例ではユニティ ゲイン (G=1) を使用して、±10V の差動入力信号を ±10V のシングルエンド出力に変換します。より小さい入力信号またはより高いゲインについては、『高ゲインの計装アンプを使用した ADC 駆動回路』を参照してください。この回路は、高精度の信号処理とデータ変換を必要とする産業用輸送やアナログ入力モジュールに適しています。

仕様

デザイン ノート

1. 計装アンプの帯域幅は通常、高いデータレートで SAR データ コンバータを駆動するには不十分です。この例では、サンプリング レートを 510kSPS から 200kSPS に下げて適切なセトリングを実現しています。フル サンプリング レートについては、『バッファ付き計装アンプを使用した高電圧 SAR ADC 駆動回路』を参照してください。
2. 「計装アンプの入力同相範囲を計算」ソフトウェア ツールを使用して、計装アンプの同相入力電圧範囲と出力電圧範囲を確認します。
3. 歪みを最小限に抑えるために、C_filt には COG コンデンサを使用します。
4. 「プレシジョン ラボ」ビデオ シリーズで、電荷バケツ回路の C_flt と R_flt の選択方法を説明しています。この件の詳細については、『Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection』を参照してください。

部品選定

1. ADS8568 は ±10V のシングルエンド入力信号に対応しています。INA828 を使用して ±10V の差動信号を ±10V のシングルエンド信号に変換します。したがって、この例では INA828 はユニティ ゲインであり、外部ゲイン設定抵抗 R_g は不要です。入力信号範囲が小さく、ゲインが必要な場合は、『高ゲインの計装アンプを使用した ADC 駆動回路』を参照してください。
2. INA826 の基準電圧 (V_ref) 入力を使用して、非対称の入力範囲をシフトし、ADC の入力範囲に一致させます。この例では、入力範囲が対称であるため、V_ref ピンは接地します (V_ref = 0V)。V_ref ピンを使用して非対称の入力信号を調整する例については、『高ゲインの計装アンプを使用した ADC 駆動回路』を参照してください。
3. 「計測アンプの入力同相範囲を計算」を使用して、INA828 が同相入力電圧範囲を逸脱しているかどうかを確認します。下図の同相モード カリキュレータは、同相入力電圧 0V に対して出力振幅は ±14.9V であることを示しています。
   
4. TINA SPICE と『Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection』に記載する方法により、C_filt と R_filt の値を求めます。本書に示す R_filt と C_filt の値は当該回路において有効ですが、別のアンプを使用する場合、TINA SPICE を用いて改めて値を求める必要があります。

DC 伝達特性

以下のグラフに、–14.9V～+14.9V の差動入力に対する出力の線形応答を示します。ADC の入力電圧範囲は ±10V であるため、アンプは必要な範囲を優に超えて直線性を維持しています。この件の詳しい理論については、『計測アンプ使用時の逐次比較型 (SAR) ADC の線形範囲の決定』を参照してください。ADC の入力電圧範囲 (FSR) は計装アンプの線形範囲内に収まっています。

AC 伝達特性

この回路の帯域幅のシミュレーション結果は 446.75kHz であり、ゲインは 0dB です。

ADC 過渡入力電圧セトリングのシミュレーション (200kSPS)

以下のシミュレーションは、INA828 と ADS8568 による DC 10V 入力信号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により、ADS8568 のサンプリング レート (200kSPS) で ½ LSB (152µV) 以内となるようサンプル / ホールド キックバック回路を適切に選択していることが示されます。この件の詳しい理論については、『ADC Front-End Component Selection』ビデオ シリーズを参照してください。

ノイズ

このセクションでは、概算用の簡易なノイズ計算を示します。帯域幅の推定値は TINA シミュレーションから、ノイズ密度の値は 『INA828 50μV オフセット、7nV/√Hz ノイズ、低消費電力、高精度計装アンプ』データシートから引用しました。フィルタが 2 次である (INA と出力フィルタの両方に極がある) ため、Kn 係数を 1.22 とします。

シミュレーション結果と計算結果は近いものの厳密には一致していないことに注意します (シミュレーション結果 = 86.6µV、計算結果 = 103µV)。この差の理由は、INA にゲインのピーキングがあることと、フィルタ次数を 2 と近似しているが、実際には INA とフィルタの極が正確には一致しないことです。

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、SBAA999 用のソース ファイル、サポート ソフトウェア