CN0328

工業用制御モジュールに対する標準的なアナログ出力電圧と電流の範囲は、±5V、±10V、0V～+5V、0V～+10V、+4mA～+20mA、および0mA～+20mAです。AD5755-1は、高精度、全機能内蔵、低価格、シングル・チップのソリューションでこれらの電圧・電流範囲全てに対応しています。電圧出力範囲は20%のオーバーレンジ機能も利用可能です。各DACチャンネルにゲイン（M）レジスタとオフセット（C）レジスタがあるため、シグナル・チェーン全体のゲイン誤差とオフセット誤差を調整することができます。

電流出力と電圧出力は個々のピンに供給され、常に1本のピンだけがアクティブ状態のため、両方の出力ピンを結合して1本の端子に接続することができます。電流出力がイネーブルされると、電圧出力がスリーステート・モードになり、電圧出力がイネーブルされると、電流出力がスリーステート・モードになります。アナログ出力は短絡状態と開放状態に対して保護されています。

AD5755-1では、図3に示すように、電圧/電流変換回路用に内部または外部の高精度電流設定抵抗を使用することができます。全温度範囲での出力電流値の安定性は、R_SETの値の安定性に依存します。全温度範囲で出力電流の安定性を向上させる方法として、内部抵抗の代わりに、15kΩの外付け低ドリフト抵抗をAD5755-1のR_{SET_X}ピンに接続することができます。外付け抵抗はDACのコントロール・レジスタを介して選択されます。「回路の評価とテスト」のセクションで説明するように、精度の測定は内部抵抗を使った場合と外部抵抗を使った場合の両方で評価しました。

高精度電圧リファレンスの選択

AD5755-1には10ppm/℃（max）のリファレンスが内蔵されています。全温度範囲で性能を向上させるため、この設計では最大ドリフトが3ppm/℃のリファレンスADR02（Bグレード、SOICパッケージ）を使用します。リファレンス入力に加えられた電圧は、DACコアにバッファ付きリファレンスを与えるために使用されます。このため、電圧リファレンスに誤差があると出力に影響を与えます。

ADR02は、最大36Vの入力電圧を許容する5V高精度リファレンスです。最大精度誤差は0.06%、最大温度ドリフトは3ppm/℃です（Bグレード、SOICパッケージ）。このドリフトを含めた場合、工業用温度範囲での誤差は約0.02%になります。長期ドリフトは50ppm（typ）、0.1Hz～10Hzでのノイズ仕様は10μV p-p（typ）です。

ダイナミック電力制御

AD5755-1はDC/DC昇圧コンバータ回路を使ったダイナミック電力制御機能を内蔵しているので、電流出力モード時の消費電力を低減することができます。PLCの電流出力回路の大部分は、固定電圧源を使用することで負荷抵抗値の全範囲で出力電圧のコンプライアンス条件を満たしています。たとえば、750Ω負荷を使った4mA～20mAのループで20mAを駆動するときは15V以上のコンプライアンス電圧が必要です。しかし、50Ω負荷で20mAを駆動するときには1Vのコンプライアンス電圧しか必要としません。50Ω負荷を駆動しているときに15Vのコンプライアンス電圧を維持すると、20mA × 14V = 280mWの電力が消費されます。

AD5755-1の回路は、出力電圧を検出してコンプライアンス電圧を安定化することによってこの電力損失をなくし、負荷抵抗に関係なくヘッドルーム電圧を小さくすることができます。AD5755-1は1kΩ負荷で最大24mAを駆動することができます。

DC/DCコンバータの動作

AD5755-1は4個の独立したDC/DCコンバータを内蔵しています。これらを使って、各チャンネルに対するV_{BOOST_X}電源電圧のダイナミック制御を行います（図3参照）。DC/DC回路に必要なディスクリート部品を図4に示します。

C_DCDCの後ろに10Ωの抵抗と100nFのローパスRCフィルタを接続することを推奨します。この回路は電力を少し消費しますが、V_{BOOST_X}電源のリップルを低減します。

DC/DCコンバータでは、AD5755-1の出力チャンネルを駆動するために4.5V～5.5VのAV_CC入力を昇圧する固定周波数のピーク電流モード制御方式を採用しています。これらは、デューティ・サイクルが標準90%未満の不連続導通モード（DCM）で動作するように設計されています。

チャンネルの電流出力がイネーブルされると、コンバータはV_{BOOST_X}電源を7.4V（±5%）または（I_{OUT_X} × R_LOAD + ヘッドルーム）のどちらか高い方の電圧に安定化します。出力がディスエーブルされた電流出力モードでは、コンバータはV_{BOOST_X}電源を7.4 V（±5%）に安定化します。出力がディスエーブルされた電圧出力モードでは、コンバータはV_{BOOST_X}電源を+15V（±5%）に安定化します。DC/DCコンバータの動作の詳細については、AD5755-1のデータシートを参照してください。

HART結合

AD5755-1には、4つの出力チャンネルそれぞれに対応する4本のCHARTピンがあります。HART信号をこれらのピンに結合することが可能で、この信号は出力がイネーブルされたときに対応する電流出力に現れます。CHARTピンでのHART信号に対する推奨入力電圧を表1に示します。これらの電圧を使用すると、電流出力はHARTの振幅仕様を満たします。AD5755-1のHART入力へHART信号を減衰し結合するための推奨回路を図5に示します。

1.2kHzと2.2kHzのHART周波数が出力で大幅に減衰しないようにするには、最小限のC1 + C2容量が必要です。推奨値はC1 = 22nFとC2 = 47nFです。HARTのアナログ変化率の条件を満たすには、出力のスルーレートをデジタル制御する必要があります。

デジタル・スルーレート制御

AD5755-1のスルーレート制御機能により、出力値が変化するレートを制御することができます。この機能は電流出力と電圧出力の両方で使用できます。スルーレート制御機能をディスエーブルすると、出力値は出力駆動回路と接続された負荷で制限されるレートで変化します。スルーレート・コントロール・レジスタのSRENビットを使ってスルーレート制御機能をイネーブルすると、スルーレート・コントロール・レジスタを使ってアクセス可能なSR_CLOCKパラメータとSR_STEPパラメータによって定義されるレートで、出力が2つのレベルの間で変化します。

次式は、スルーレートをステップ・サイズ、更新クロック周波数、LSBサイズの関数として示します。

ここで、

Slew Timeの単位は秒、

Output Changeの単位はI_{OUT_X}ではアンペア、V_{OUT_X}ではボルトです。

詳細については、AD5755-1のデータシートを参照してください。

過渡電圧保護

AD5755-1はESD保護ダイオードを内蔵しており、通常の取扱いでの損傷を防止します。ただし、工業用制御環境ではI/O回路がはるかに高いトランジェントに曝される可能性があります。過大な電圧トランジェントからAD5755-1を保護するため、図6に示すように、I_OUTとV_OUTの接続部に24Vの過渡電圧サプレッサ（TVS）を設置します。保護を強化するため、I_{OUT_X}/V_{OUT_X}ピンからV_{BOOST_x}ピンとAVSS電源ピンにクランピング・ダイオードを接続します。V_{SENSE_X}入力と直列に5kΩの電流制限抵抗も接続します。これは、トランジェントが生じているときに電流を許容レベルに制限するためのものです。HARTモデム AD5700 用に推奨する外付けバンドパス・フィルタには、固有の安全条件に適合するところまで電流を十分低いレベルに制限する150kΩ抵抗が含まれています。この場合、入力ではさらに高い過渡電圧保護がされているため、要求の非常に厳しい工業用環境でも保護回路を追加する必要はありません。

入力電源保護

安定化された24V DC電源を2線式または3線式のインターフェースを介してボードに接続します。この電源は、図7に示すように、フォルトや電磁干渉（EMI）に対して保護する必要があります。

VR1、VR2、VR3、およびVR4はピエゾ抵抗、F1は正温度係数抵抗です。この回路は、電源ポートに生じる可能性があるどのような干渉にも評価システムが耐えられるようにします。詳細については、アナログ・ダイアログ 43-04 April 2009 「PLC評価用ボードによる産業用プロセス制御システムの容易な設計」を参照してください。

24Vの入力電源はPWM昇圧コントローラADP1621を駆動します。このコントローラは、絶縁とAVDD（+15V）、AVSS（−15V）、AVCC（+5V）の生成を行う3タップ・トランスを駆動します。帰還はフォトカプラPS2801-1を使って行います。

ADP1621の電源入力電圧範囲は2.9V～5.5Vですが、小信号NPNパス・トランジスタや単独の抵抗を使用することにより、もっと高い入力電圧が可能です。スイッチング周波数は外付け抵抗によって100kHz～1.5MHzの範囲に設定します。

さまざまな負荷条件でのAVDD、AVSS、AVCCの各レール電圧を表2に示します。

絶縁型スイッチング電源回路を使用する代わりに、J5とJ11の端子ブロックを使う方法もあります。これらの端子ブロックを使用する場合、LK2～LK4を除去します。

デジタル・アイソレーション

ADuM3481とADuM3482は、小型20ピンSSOPパッケージ（7.2mm × 7.8mm）に収められた、3.75kVの4チャンネル・デジタル・アイソレータです。アイソレータのコアは3.0V～5.5Vの範囲で動作し、I/O電源は1.8V～5.5Vの範囲が可能です。これらのデバイスを使って1.8Vロジックと直接インターフェースすることができます。この回路では、ADuM3481を使ってAD5755-1のSPI信号を絶縁し、ADuM3482を使ってHARTモデムAD5700-1のUART信号を絶縁します。2チャンネルのADuM3210を使って4チャンネル・マルチプレクサADG759のアドレス・ラインを絶縁します。

iCoupler製品の詳細については、www.analog.com/jp/icouplersをご覧ください。回路図、部品表、EVAL-CN0328-SDPZボードのPCBレイアウト・データについては、CN-0328設計サポート・パッケージ（http://www.analog.com/CN0328-DesignSupport）を参照してください。