設計の説明

この回路は、ISO224 絶縁アンプと ADS745 SAR ADC を活用して ±12V の絶縁電圧センシングを行います。ISO224 は ±12V の真の差動信号を ⅓V/V の固定ゲインで測定し、VDD2/2 の出力同相電圧で絶縁差動出力電圧を生成できます。ADS7945 は、フルスケール入力電圧が ±V_REF、同相入力電圧が V_REF/2±200mV の完全差動入力 ADC です。+5V の基準電圧を選択すると、ADS7945 は ISO224 からのフルスケールおよび同相出力に対応できます。ISO224 の出力を完全差動入力 ADC でキャプチャすると、シングルエンド変換と比べてシステムのダイナミック レンジは 2 倍になります。保護リレー、チャネル間絶縁された ±10V アナログ入力カード、インバータとモーター制御など多くの産業用高電圧アプリケーションに適用できます。本書の「部品選定」の式と説明は、各システムの仕様や要求に応じてカスタマイズできます。

仕様

デザイン ノート

1. 低消費電力であること、アナログ入力構造が ISO224 と互換であることから、ADS7945 を選択しました。
2. システムが、目的の入力信号範囲について線形動作することを確認します。これは、「DC 伝達特性」セクションで、シミュレーションにより検証しています。
3. 歪みを最小限に抑えるため、C_FILT には C0G コンデンサを選択します。
4. 『Understanding and Calibrating the Offset and Gain for ADC Systems』で、誤差解析の方法を説明しています。ゲイン、オフセット、ドリフト、およびノイズの誤差を最小限に抑える方法については、リンク先をご覧ください。
5. TI プレシジョン ラボ - ADC トレーニング ビデオ シリーズでは、電荷バケツ回路の R_FILT と C_FILT を選択する方法について解説しています。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。ここに示す値は、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性能を実現します。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。最高水準のセトリングと AC 性能を実現する RC フィルタの選定方法については、『Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection』を参照してください。

部品選定

1. 入力電圧範囲に基づいて絶縁アンプを選択し、出力同相電圧および出力電圧の範囲を決定します。

   ISO224：

   • ±12V のシングルエンド入力範囲
   • ⅓ の固定ゲインによる ±4V の差動出力
   • +2.5V の出力同相電圧
   • ハイサイド電源 4.5V～18V、ローサイド電源 4.5V～5.5V
   • 入力オフセット：25℃で ±5mV、±42µV/℃ (最大値)
   • ゲイン誤差：25℃で ±0.3%、±50ppm/℃ (最大値)
   • 非線形性：±0.01%、±1ppm/℃ (最大値)
   • 1.25MΩ の高い入力インピーダンス

2. ISO224 の +2.5V の同相および ±4V の差動出力と組み合わせるため、適切な同相および差動入力範囲の ADC を選択します。

   ADS7945：

   • ±5V の最大アナログ入力範囲
   • フルスケール入力範囲は ± 基準電圧で設定
   • 入力同相範囲は V_REF/2±0.2V
   • 2.7V～5.25V の電源
   • 84dB の高 SNR、2Msps で 11.6mW の低消費電力

3. ISO224 の同相出力 2.5V と、ADS7945 の同相入力電圧 V_REF/2±0.2V により設定される同相制限をサポートできる基準電圧を選択します。これは、基準出力電圧が 5V、低ノイズである必要があり、入力電圧は構成可能が望ましいことを意味します。

   REF5050：

   • 5V 出力
   • 5.2V～18V の入力電圧の電源
   • 3μVPP/V のノイズ

4. 入力信号のセトリングと 100ksps のサンプル レートに合わせて R1_FILT、R2_FILT、C_FILT を選択します。

   TI Precision Labs のビデオ『Refine the R_FILT and C_FILT Values』では、R_FILT とC_FILT の選定方法を説明しています。最終的に、120Ω と 510pF という値で、アクイジション時間内に最下位ビット (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

次のグラフは、±15V の入力に対する出力のシミュレーション結果を示しています。目標の線形範囲は、±12V 入力に対して ±4V の出力です。このシミュレーションは、線形出力範囲が要件を十分上回る約 ±4.6V であることを示しています。

この伝達関数は、ISO224 のゲインが ⅓ であること (すなわち、ゲイン V_IN = V_OUT、(⅓)·(12V) = 4V) を示しています。

AC 伝達特性

シミュレートされた帯域幅は約 186kHz、ゲインは -9.57dB (または 0.332V/V) であり、これは、ISO224 のゲインと帯域幅の期待値 (仕様値：fc = 175kHz、ゲイン = 0.333V/V) とほぼ一致しています。

ADC 過渡入力電圧セトリング シミュレーション

以下に、アクイジション時間が 9.6μs のときの過渡セトリングのシミュレーション結果を示します。11μV のセトリング誤差は、0.5 × LSB の制限である 305μV を十分に下回っています。この件の詳しい理論については、『Refine the Rfilt and Cfilt Values』を参照してください。

ノイズ シミュレーション

以下のノイズの計算では、ISO224 のノイズのみに着目しています。ISO224 のノイズは、回路内のその他のノイズ源よりもはるかに大きいため、総ノイズは ISO224 のノイズに等しいと近似できます。B グレードについても同じ方法を使用できます。

ノイズのシミュレーション結果は、計算された期待値を上回っています。この差は、シミュレーション モデルでのノイズのピーキングが原因です。ノイズのピーキングは計算に含まれていません。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。

使用デバイス

設計の参照資料

テキサス・インスツルメンツの総合的な回路ライブラリについては、『アナログ エンジニア向け回路クックブック』を参照してください。

主要なファイルへのリンク

絶縁設計の TINA ファイルを参照してください。