設計の説明

この設計は、最高スループットでAC性能をフルに発揮できるデジタル絶縁型高電圧SAR ADCを示しています。チャネル間絶縁アナログ入力モジュールや、同相電圧範囲が極めて広い信号の測定に向いており、この設計は、プログラマブル ロジック コントローラ、アナログ入力モジュール、4～20mA の多くの信号用途に適しています。これらの用途に適した絶縁型電源設計の詳細については、『絶縁型電源、低ノイズ、5V、100mA』を参照してください。このクックブックには設計ファイルへのリンクが記載されています。

この回路実装は、アナログ入力モジュール、心電計 (ECG)、パルス オキシメータ、ベッドサイド モニタなどの用途に適しています。

仕様

デザイン ノート

1. システムの入力電圧範囲、サンプリング レート、分解能を満たす SAR ADC を選択します。これについては「部品選定」セクションで述べます。
2. 必要な絶縁仕様と適切なチャネル数、チャネル方向に対応するデジタル アイソレータを選択します。これについては「部品選定」セクションで述べます。
3. 入力電流に対する負荷抵抗を設定します。この設計では、チャネル間絶縁により入力の同相電圧制限がなくなります。最大入力電流が SAR ADC の入力電圧範囲内に維持されるように、負荷抵抗を選択します。

部品選定

1. システムの以下の入力電圧範囲、サンプリング レート、分解能を満たす SAR ADC を選択します。
   • 希望入力電圧範囲：±12V
   • 希望有効ビット数 (ENOB)：14 ビット
   • 希望サンプリング レート：100ksps
   • ADS8689 の入力範囲：±12.228V
   • ADS8689 ENOB：14.8 ビット
   • ADS8689 の最高サンプリング レート：100ksps
     注:

     上記の仕様を満たすTI SAR ADCの選択肢は豊富にあります。

2. 必要な絶縁仕様と適切な双方向チャネル数に対応するデジタル アイソレータを選択します。
   • テキサス・インスツルメンツは絶縁定格範囲が 2.5kV_RMS～5.7kV_RMS のデジタル アイソレータを提供しています。
   • システム要件に基づいて絶縁定格を選択します。
   • 標準のSPIインターフェイス用に、デジタル アイソレータは4チャネルで、3つの順方向チャネルと1つの逆方向チャネルを備えている必要があります。
   • ISO774x は 4 チャネル デジタル アイソレータ デバイス ファミリで、チャネル方向はあらゆる組み合わせが可能、絶縁定格は 2.5kV_RMS または 5.0kV_RMS を選択できます。
3. デジタル アイソレータからデジタル信号までの推定遅延時間を把握します。
   • ISO7741の伝搬遅延時間の標準値は10.7nsで、最大値は16nsです。
   • 往復遅延時間の標準値は21.4ns、最大値は32nsです。
   • SCLKは6.66MHzで動作するため、周期は150nsとなります。
   • 往復遅延時間の標準値は SCLK 周期の 14% です。
   • 最大往復遅延時間は SCLK 周期の 21% です。
   注:

   アイソレータによる遅延は、SCLK に対する最適な SDO 読み出しから実際の SDO 読み出しまでの遅延となります。この遅延は、デジタル アイソレータを通過するSCLK復帰信号を追加し、SDOが厳密に正確なタイミングで読み出されるようにすることで調整できます。復帰クロックを追加するには、別の絶縁チャネルが必要です。

FFT 測定値

この性能は、カスタム4チャネル、チャネル間絶縁ADS8689 PCBで測定しました。入力信号は24Vpp、1kHzの正弦波です。AC性能は最小SNR＝92.2dB、最小THD＝－108.8dBであることを示しており、ADCの性能仕様: SNR＝92dB、THD＝－112dBとよく一致しています。

TVS ダイオードによる性能低下

SAR ADCの入力を保護するために、この設計では14Vの双方向TVSダイオードを使用しました。TVSダイオードにより、静電容量が増えるため全高調波歪み(THD)は悪化します。TVSダイオードを入れた結果、入れない場合に比べてTHDが約6dB悪化しました。

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、『SBAA269 用のソース ファイル』、ソフトウェア サポート。