Isolated ADCの使用方法

投稿日十一月 16, 2022
更新日七月 1, 2024

低ノイズで動作する混合信号システム、特に計測や敏感な測定に使用されるものを見てみましょう。これらは、過度のノイズに屈することなく、低レベルの信号を慎重に解決できるようです。特定の周波数や特定の電圧範囲では、信号の正確な表現を取得するために、混合信号システムの接地に関する一般的に受け入れられている規則のいくつかを破る必要があるかもしれません。

ADCは、デジタルとアナログの世界が出会う混合信号システムの主要なコンポーネントであり、これらのコンポーネントの使用に関するベストプラクティスは、PCB上のどこでもデジタルおよびアナログのルーティングをサポートするために単一のグラウンドネットの使用を指示しています。しかし、システム内でノイズ制御またはユーザーの安全のために隔離が必要な場合はどうなるでしょうか？

この場合、絶縁されたADCを使用して亜鉛隔離を強制することができます。もう一つの選択肢は、システム内の亜鉛隔離された領域間で結合を提供するコンポーネントを使用し、それが標準のADCとインターフェースすることです。どちらのオプションも、ノイズを制御し、危険な電気ショックを防ぐ機会を提供します。この設計ガイドでは、隔離を提供するためにこれらのオプションを使用する方法を示します。まずは、絶縁されたADCコンポーネントオプションから始めます。

絶縁されたADCとは何ですか？

絶縁されたADCには、デジタルI/Oセクションと入力アナログインターフェースの間に2つの亜鉛隔離された領域が含まれています。これらのコンポーネントは、亜鉛隔離が必要なシステムでは、システムの2つの側面が別々のグラウンド領域上に構築されるという単純な概念に従って構築されています。絶縁されたADCでは、アナログ側とデジタル側のシステム間に亜鉛隔離が強制されます。このようにして、デジタル信号がデジタルグラウンドプレーンに限定されている限り、デジタル信号がアナログ側のアナログ信号に干渉することはありません。

これらのコンポーネントが使用される状況には以下のようなものがあります：

デジタルセクションを持つ高電圧システムで、システム内で何らかの測定が必要な場合
非常に低いSNRアナログ信号の測定を伴う特殊な計測装置
高速パルスが電力サージを作り出し、コンポーネントを損傷させる可能性がある電気機械システムやスイッチングシステム

PCB内で測定される信号がルーティングされる場所によっては、絶縁のためにオプトカプラーやトランスフォーマーよりも絶縁されたADCを使用する方が理にかなっているかもしれません。

ブロック図

以下に示すのは、絶縁されたADCの例のブロック図です。この例では、コンポーネント内の2つのGNDネット（AGNDおよびDGND）は、コンポーネントに組み込まれた何らかのギャップによって互いに隔離されています。これは、PCB上で、AGNDとDGNDが物理的に別々の銅片に接続されていることを意味します。

「物理的に別々の銅片」と書くとき、異なるネットに割り当てられた銅の注ぎ込みの異なるセクションを指しています。アナログインターフェースの入力チャネル（A_IN_1…A_IN_N）のみがAGNDネットに対して信号レベルを参照します。デジタルI/Oブロックは、ある最大電圧とある最大周波数までのいくつかの亜鉛隔離定格を持ちます。

このブロック図での分離は、PCB上で実装されなければなりません。これを行う最良の方法は、PCB上に2つの別々の隣接する領域を配置して亜鉛メッキ絶縁を実装し、絶縁されたADCでのみそれらの間に橋を作ることです。これにより、亜鉛メッキ絶縁の成功した実装が保証されますが、分離されたグラウンドプレーンを交互に配置しようとすることによる多極アンテナの問題は発生しません。

絶縁ADCの選択

絶縁ADCには、亜鉛メッキ絶縁を備えた混合信号システムでのノイズ制御と安全性を確保するために考慮されなければならないいくつかの重要な仕様があります。

チャネル数 - 複数の入力アナログチャネルがあり、入力信号のサンプリングに使用できます
絶縁電圧 - 高電圧システムでは、サンプルされた信号はアナログ側で発生する可能性があるため、亜鉛メッキ絶縁はkV値に達する高電圧定格を持つことになります
出力バス - これは通常、低サンプルレートでSPIバスになりますが、高サンプルレート（GHzに達する）ではJESD204バスになることがあります
内部対外部の参照と調整 - 一部の絶縁ADCには内部DC/DC変換と精密参照があります
ダイナミックレンジ - 低レベル信号のサンプリングには重要であり、一部の低レベル信号はADCのダイナミックレンジを満たすために増幅が必要になる場合があります
解像度 - これはダイナミックレンジとSNRと対比して考慮されなければならず、低SNR信号の場合、低解像度はより高いノイズ耐性を提供します

安全キャパシタを使用してEMIおよびRFノイズを防止する

絶縁ADCを使用するPCBなどの分割プレーンシステムの大きな問題の1つは、1つまたは両方のグラウンドが浮いていることです。言い換えると、システムの両側間で測定されるグラウンドポテンシャルにはいくつかの違いがあります。これは、絶縁電源を設計することによって排除する非自明な問題であり、グラウンドオフセットは周波数の関数になる可能性があります。その結果、特定の周波数で、これらのグラウンド間のポテンシャル差が振動する可能性があり、これにより放射されるEMIが発生します。

ここでの最も簡単な解決策は、AGNDとDGNDのグラウンド領域を接続するために安全キャパシタを使用することです。安全キャパシタ（例えば、セラミックまたは金属化紙）は、グラウンドポテンシャルオフセットによって作成された電流のための低インピーダンスパスを提供することができ、これにより、それらは自由空間に放射するのではなく、低インダクタンスループでシステム電源に戻ります。以下に示されている配置は、絶縁電源で使用されるトランスフォーマーと同様に使用される配置です。

グラウンドを横断する安全キャパシタが使用される場合、検討すべき3つの仕様があります：

適度に高い静電容量
低いDCリーク電流
高いDC/AC電圧限界

これは、ユーザーがデバイスと接触する領域にリーク電流が流れ込むのを最小限に抑え、ユーザーがわずかなショックを受ける可能性があるためです。静電容量は、絶縁された領域間の寄生容量と、絶縁されたADC内の絶縁ギャップを越える容量を超える必要があります。典型的な安全キャパシタの値は、数百ボルトの範囲の電圧定格で~1 uFを超えることはありません。

絶縁されたADCの例

Texas Instruments AMC1333M10

Texas InstrumentsのAMC1333M10は、最大8 kVに達する高い絶縁を提供します。このコンポーネントには、デルタシグマ変調を使用した単一チャネルで39 kSpsのサンプリング（87 dBのダイナミックレンジ）を提供する内蔵クロックがあります。出力インターフェースは、MCUでのタイミングを簡素化するためにクロック出力と並行してルーティングされたシンプルなシリアル出力です。このコンポーネントは、大きな電圧暴露の危険があるが、データをサンプリングして同期するための複雑なデジタルサブシステムを必要としないシステムにおいて優れた選択です。

Maxim Integrated MAX14001/MAX14002

MAX14001および関連するMAX14002は、Maxim Integratedから10ビットSARアーキテクチャを採用し、名目上のサンプリングレートは10 kSpsです。設定、フィルター処理されたデータ、およびフィルター処理されていないデータは、SPIインターフェースを介して入出力されます。このコンポーネントの絶縁は、3.75 kV RMS電圧まで保証されているため、高電圧環境での使用にも適しています。これら2つのコンポーネントのうち、MAX14001のみが、連続したインラッシュパルスの流れを引き起こす可能性のある異常な入力信号からの過熱を防ぐために、繰り返しのインラッシュパルスを制限することができます。

絶縁されたADCの代替品

絶縁されたADCは非常に有用なコンポーネントですが、混合信号システムで絶縁を強制するために使用できる唯一のタイプのコンポーネントではありません。伝統的に絶縁のために使用される他の2つのコンポーネントは、オプトカプラーとトランスフォーマーです。これらのコンポーネントは、絶縁されたADCが必要ない場合でも、絶縁戦略の一部として使用できます。代わりに、これらのコンポーネントは、2つの絶縁された領域間でアナログ信号を結合するか、ADCからのデジタルデータを結合しています。

以下の表は、アナログまたはデジタル信号に異なるタイプの結合メカニズムを使用するタイミングをまとめたものです。要するに、トランスフォーマーは、絶縁された領域間でデジタルデータを結合するために使用すべきではありません。その理由は、トランスフォーマーがデジタル信号をパルスに変換するからです。なぜなら、トランスフォーマーは入力信号が切り替わるときにのみ電磁エネルギーを結合するからです。したがって、絶縁されたADCではなくデジタルデータに結合メカニズムを使用する必要がある場合、オプトカプラーの方が好ましいでしょう。

オプトカプラー

オプトカプラーICは、出力側から入力側へのフィードバックラインをルーティングする際に、システムの両側間の絶縁を保証するために、絶縁電源でよく使用されます。オプトカプラーはデジタルまたはアナログ信号に使用できますが、非絶縁ADCにギャップを越えてアナログ信号を結合する場合が最も適していると言えるでしょう。

オプトカプラーは、アナログ信号ではなく、絶縁された領域を越えてデジタルバス出力を結合するために使用することもできます。しかし、これは信号を結合するための最適なオプションではないかもしれません。なぜなら、エッジレートとタイミングが変更される可能性があり、受信コンポーネントのセットアップ時間とホールド時間を守ることができないリスクがわずかにあるからです。したがって、最良の使用法は、サンプリングされるアナログ信号のみにオプトカプラーを使用することかもしれません。

トランスフォーマー

トランスフォーマーは、安全キャパシタのガイドラインに従う限り、絶縁された混合信号システムのアナログとデジタルの両側を橋渡しするのに適しています。これは、例えば、高電圧環境でアナログ信号をサンプリングする必要がある場合に使用されます。別のオプションは、低レベル信号の電圧を上げて、非絶縁ADCに供給することです。

トランスフォーマーがアナログ信号でのみ使用される理由は、信号が切り替わるときにのみ絶縁された側間で信号を結合するからです。デジタル側でトランスフォーマーを使用して絶縁ギャップを越えてデジタル出力を結合していた場合、トランスフォーマーはデジタルのエッジレートをパルスに変換するため、データを失います。したがって、アナログ信号でのみ使用できます。

混合信号システムにおける重要なコンポーネント

絶縁を実装し、正確な低レベル信号測定を提供する必要がある混合信号システムには、絶縁されたADCを超えて多くの他のコンポーネントが必要です。これらのコンポーネントは、プロセッサ、アンプ、フィルターなど多岐にわたります。DACもこれらのシステムで役立ちますが、絶縁されたDACは絶縁されたADCほど一般的ではありません。デザイナーが含める必要があるかもしれない他のコンポーネントには以下のものがあります：

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