設計目標

設計の説明

この正負デュアル出力を正シングル出力に変換する反転アンプは、±10V の信号を、ADC で使用する 0V～5V の信号に変換します。電圧レベルは、与えられた式を使用して簡単に変更できます。初段の出力が低インピーダンスである限り、その他の ±15V 構成とバッファを置き換えることで、目的の入力信号に対応させることができます。

デザイン ノート

1. 入力バッファの同相制限を調べます。
2. バッファ アンプ U1 を使わない場合、高インピーダンスの信号源は U₂ のゲイン特性を変化させます。
3. ±15V の電源が 5V 電源より先に起動する場合、R₆ は U₁ の出力のためにグランドへの経路を作ります。これにより、R₁、R₂、R₆ により構成される分圧器によって U₂ の反転ピンに印加される電圧を制限し、U₂ とその出力に接続されたコンバータ (該当する場合) の損傷を防止します。デバイスに対して最善の保護を行うためには、過渡電圧サプレッサ (TVS) を U₂ の電源ピンに追加します。
4. R₅ の両端にコンデンサを接続すると、V_ref で発生するノイズをフィルタ処理し、V_shift をよりクリーンにするのに役立ちます。

設計手順

この回路の伝達関数は次の式で示されます。

1. アンプのゲインを設定します。
   $\frac{∆{\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}}{∆{\mathrm{V}}_{\mathrm{i}}}=\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{oMin}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMax}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{iMin}}}=\frac{\text{4.8 }\mathrm{V}-\text{0.2 }\mathrm{V}}{\text{10 }\mathrm{V}-(-\text{10 }\mathrm{V})}=0.23$
   $\frac{∆{\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}}{∆{\mathrm{V}}_{\mathrm{i}}}=\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}$
   ${\mathrm{R}}_2=\text{0.23×}{\mathrm{R}}_1$
   $\mathrm{Choose} {\mathrm{R}}_1=\text{100}\mathrm{k\Omega } (\mathrm{standard} \mathrm{value})$
   ${\mathrm{R}}_2=\text{23}\mathrm{k\Omega } (\mathrm{for} \mathrm{standard} \mathrm{values} \mathrm{use} \text{22}\mathrm{k\Omega } \mathrm{and} \text{1}\mathrm{k\Omega } \mathrm{in} \mathrm{series})$
2. V_shift を、信号を単一電源に変換するよう設定します。
   $\mathrm{At} \mathrm{midscale}, {\mathrm{V}}_{\mathrm{in}}=\text{0}\mathrm{V}$
   $\mathrm{Then} {\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}=\left(1+\frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}\right)\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{shift}}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{shift}} = \frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{o}}}{\left(1+{\displaystyle \frac{{\mathrm{R}}_2}{{\mathrm{R}}_1}}\right)}=\frac{\text{2.5}\mathrm{V}}{\text{1.23}}=\text{2.033}\mathrm{V}$
3. V_shift が得られるよう、基準分圧器の抵抗を選択します。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}=\text{4.096}\mathrm{V}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{shift}}={\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}\times \frac{{\mathrm{R}}_5}{({\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4)+{\mathrm{R}}_5}$
   $\frac{{\mathrm{V}}_{\mathrm{shift}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{ref}}}=\frac{\text{2.033}\mathrm{V}}{\text{4.096}\mathrm{V}}=\frac{{\mathrm{R}}_5}{({\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4)+{\mathrm{R}}_5}$
   ${\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4=\text{1.0161 }\times {\mathrm{R}}_5$
   $\mathrm{Select} \mathrm{a} \mathrm{standard} \mathrm{value} \mathrm{for} {\mathrm{R}}_5$
   ${\mathrm{R}}_5=\text{10}\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_3+{\mathrm{R}}_4=\text{10.161}\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_3=\text{10}\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_4=\text{162}\mathrm{\Omega } (\mathrm{standard} 1\% \mathrm{value})$
4. 帰還抵抗が大きいと、入力容量と相互作用し、不安定性を引き起こす可能性があります。これを打ち消すため、伝達関数に極を追加するよう C₁ の容量を選択します。この極の周波数は、オペアンプの実効帯域幅より低い必要があります。
   ${\mathrm{C}}_1=\text{43}\mathrm{pF}$

設計シミュレーション

DC シミュレーション結果

AC シミュレーション結果

過渡シミュレーション結果

設計の参照資料

テキサス・インスツルメンツ、SBOMAT9 TINA-TI™ 回路シミュレーション、ファイル ダウンロード

テキサス・インスツルメンツ、TIPD148 レベル変換：±15V 正負デュアル出力を 5V 正シングル出力に変換するアンプ、製品ページ

設計に使用されているオペアンプ

設計に使用されているオペアンプ