アナログデバイス CN-0586 高精度高電圧tagバイポーラアナログ出力モジュールユーザーガイド

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1 アナログデバイス CN-0586 高精度高電圧tagバイポーラアナログ出力モジュール

2 仕様

アナログデバイス CN-0586 高精度高電圧tagバイポーラアナログ出力モジュール

仕様

製品名: 完全、クワッド、16 ビット、シリアル入力、ユニポーラ/バイポーラ電圧tage出力DAC

入力ボリュームtage範囲： 24V～220V
出力巻tage範囲： 最大200V
出力電流能力: 最大 20mAまで

Circuits from the Lab® リファレンス設計は、今日のアナログ、ミックスドシグナル、RF 設計の課題を解決するために、迅速かつ簡単にシステムを統合できるように設計およびテストされています。詳細および/またはサポートについては、次のサイトをご覧ください。翻訳：.

接続/参照されるデバイス

AD5754R	完全、クワッド、16 ビット、シリアル入力、ユニポーラ/バイポーラ電圧tage出力DAC
ADHV4702-1	24V～220Vの高精度動作 Ampリファイアー
LT8365	低I_Q 1.5 A、150 V スイッチ付き昇圧/SEPIC/反転コンバータ
ADuM4151	5 kV、7 チャンネル、SPIsolator™ SPI 用デジタルアイソレータ

精密高容量tagバイポーラアナログ出力モジュール

評価と設計のサポート

回路評価ボード
CN-0586 回路評価ボード (EVAL-CN0586-ARDZ)
システムデモンストレーションプラットフォーム（EVAL-SDP-CK1Z）
設計と統合 Files
回路図、レイアウト Files、部品表、シミュレーションモデル、例ampルプログラム

回路の機能と利点
電子システムの継続的な進歩に伴い、電子テストおよび測定の分野では、より高速で、より正確で、より堅牢なテスト機能が求められています。このような状況では、高精度の高容量tagこれらのソリューションは、次世代の商用、産業用、または自動車用アプリケーション、スマートデバイス用の液晶ディスプレイ (LCD) および有機発光ダイオード (OLED) パネルのテスト、自動車用および産業用アプリケーションの両方での光検出および測距 (LiDAR) 用の標準シリコンフォトダイオード (SiPD) またはアバランシェフォトダイオード (APD) のバイアス、圧電位置決めおよび駆動、微小電気機械システム (MEM) ミラー制御などを評価するための正確な刺激を提供する上で重要な役割を果たします。

アナログ・デバイセズは、高容量製品を中心にさまざまなソリューションと製品を提供しています。tage アプリケーションとこのリファレンスデザインはほんの一部にすぎません。

図1に示す回路は、高精度バイポーラ高電圧tag最大200 Vの出力スパンとデジタルインターフェース絶縁を備えたeドライブソリューション。このソリューションは、4チャンネル、16ビットの高精度デジタル-アナログコンバータ（DAC）と220 Vの高精度デジタル-アナログコンバータ（DAC）を使用しています。 amp単極電源からバイポーラ出力範囲を提供できる構成のリファイア。オンボード電源ソリューションも含まれており、単一の110V入力電源から+110Vと-15Vを供給して、このリファレンス設計の迅速な評価に役立ちます。すべての信号チェーンコンポーネントを評価ボードに組み込むことで、高電圧電源の設計が大幅に容易になります。tage出力駆動システム。

評価ハードウェアは SDP-K1 と連携しており、他の Arduino-UNO ベースのコントローラボードとの統合が容易です。ソフトウェアインターフェイスは、分析、制御、評価 (ACE) ソフトウェアでプラグインとして利用できるため、インストールと使用が簡単です。プラグインは、SDP-K1 にロードされたオープンソースファームウェアを介して制御ボードと通信するため、ユーザーエンドのシステムやプラットフォームにすばやく適応できます。

Analog Devices の Circuits from the Lab™ 回路は、Analog Devices のエンジニアによって設計および構築されています。各回路の設計および構築には標準的なエンジニアリング手法が採用されており、その機能と性能は室温のラボ環境でテストおよび検証されています。ただし、回路のテストと、使用およびアプリケーションへの適合性と適用性の判断は、お客様の責任で行ってください。したがって、いかなる場合でも Analog Devices は、Circuits from the Lab 回路の使用に関連する原因による直接的、間接的、特別、偶発的、結果的、懲罰的損害に対して一切の責任を負いません。(最終ページに続く)

回路の説明

CN0586は高電圧を特徴としていますtag高精度DACと高電圧アンプの組み合わせによるドライバー信号チェーンtag精密操作 ampこのリファレンスデザインは、高容量tagEVAL-CN200ARDZ は最大 0586 V の出力範囲を持ち、オンボード電源ソリューションにより、100 V の外部電源から +/−15 V の出力を提供できます。

図1は、AD5754RのXNUMXつのDAC出力チャンネル（AとB）を高電圧に接続する様子を示しています。tage amp外部抵抗器ADHV4702-1を使用してゲイン20を実現しています。この回路の出力伝達関数は次の式で表されます。

どこ：

DA は、DAC チャネル A (メイン DAC) にロードされる 10 進コードです。

DB は、DAC チャネル B (オフセット DAC) にロードされる 10 進コードです。
ゲインは、異なる出力ボリュームのスケーリング係数です。tagDAC の範囲。+2 V の場合は「5」、+4 V の場合は「10」。

VREF はボリュームですtag公称値 2.5 V のリファレンス。
20はHVです ampリファイアーtageゲイン。
メインDAC出力範囲設定は回路のエンドツーエンド出力範囲を決定し、オフセットDAC値は全出力範囲の中心点を決定します。ADHV4702-1の外部ゲイン設定抵抗器の構成により、回路は高電圧を提供できます。tag最大出力範囲は 200 V、駆動能力は最大 20 mA です。

高ボラティリティtag出力範囲と上限および下限は次の式を使用して計算できます。

HVOUTSPAN = VMAINFS − VMAINZS × 20 (2)
HVOUTUPPER = VMAINFS − VOFFSET × 20 (3)
HVOUTLOWER = VMAINZS − VOFFSET × 20 (4)

どこ：

VMAINFSはボリュームtagフルスケールコードがロードされたメイン DAC の出力。

VMAINZSはボリュームtagゼロスケールコードがロードされたメイン DAC の出力。
VMAINFSはボリュームtagフルスケールコードがロードされたメイン DAC の出力。

VOFFSETはボリュームtagオフセットDACの出力。

高ボラティリティtag表 1 に示す出力範囲は、AD5754R のメイン DAC とオフセット DAC 構成の組み合わせであり、オンボードのスイッチングモード電源を備えた EVAL-CN0586-ARDZ によってサポートされています。
メイン DAC とオフセット DAC の両方が +10 V 範囲に設定されている場合、EVAL-CN0586-ARDZ は表 1 に示されているすべての HV 出力範囲構成をサポートできます。

表1. HV出力範囲

LTSPICEシミュレーション

リファレンスデザインは、図2の回路を使用してLTSpiceで簡単にシミュレーションできます。この場合、高電圧tage ampDACチャンネル出力を理想的なボリュームに置き換えながら、リファイア回路をシミュレートします。tage ソース。V1 ソースは DAC A またはメイン DAC として機能し、V2 ソースは DAC B またはオフセット DAC として機能します。

スパイスディレクティブセットは、V1 (メイン DAC) の DC スイープを 10 V の範囲にわたって設定し、200 V のスパンに相当します。一方、このシミュレーションは V2 (オフセット DAC) のさまざまな DC 値で実行され、図 200 に示すように、さまざまなオフセットレベルにわたる複数の 3 V スパンプロットが生成されます。

シミュレーション fileデザインリソースページで入手できます。

DAC機能
設計の核となるのは、クワッド、5754ビット、シリアル入力、ボリュームのAD16Rです。tage出力デジタル-アナログコンバータ（DAC）。DACにはオンチップ5 ppm/⁰C 2.5 Vリファレンスが含まれており、ソフトウェアで選択可能な出力範囲は+5 V、+10 V、+10.8 V、+/−5 V、+/−10 V、+/−10.8 Vです。公称フルスケール出力範囲の場合、DACはデュアル電源電圧で動作します。tage は +/−15V です。このアプリケーションでは、+5 V および +10 V の出力範囲のみが使用されます。

AD5754R は、シリアルペリフェラルインターフェイス (SPI)、デジタル信号処理 (DSP)、およびマイクロコントローラインターフェイス規格と互換性のあるシリアルインターフェイスを使用して制御され、最大 30 MHz のクロックで動作します。DAC には、DAC レジスタに書き込むための入力コード形式を選択するための I/O ピン BIN/2SCOMP があります。このリファレンスデザインで使用されるファームウェアでは、バイナリコーディングが選択されています。
この設計で利用される DAC の機能は非同期 CLR です。これはアクティブロー/CLR ピンを使用して DAC をゼロスケールコードまたはミッドスケールコードにリセットします。クリア (CLR) をアクティブにすると、すべての DAC チャネル出力がシステムリセットに役立つ必要な既知の状態に設定されます。

HV AMPリフィエ
高ボリュームtag信号チェーンの最後にあるドライバはADHV4702-1です。この次世代の運用 ampアナログ・デバイセズのADHV1-170は、+/-160Vの非対称デュアル電源または最大110Vのシングル電源で動作し、標準出力電流220mAで、20mVの入力オフセット、4702dBのオープンループゲイン、1dBのコモンモードリップル除去率という高精度な性能を提供します。ADHV10-74は、XNUMXMHzの小信号帯域幅とXNUMXV/μsのスルーレートという優れた動的性能も提供します。高電圧アプリケーションに不可欠な熱監視やシャットダウンなどのオンチップ安全機能を備えています。tage アプリケーション。

HVパワーソリューション
オンボードの高容量tag電源レールは、8365A、1.5Vの内部スイッチを備えたLT150低静止電流、電流モードDC/DCコンバータによって提供され、2.8V～60Vの入力で動作します。LT8365は、独自のシングルフィードバックピンアーキテクチャを備えており、ブースト、シングルエンドプライマリインダクタコンバータ（SEPIC）、または反転構成が可能です。このリファレンスデザインには、正と負の高電圧の異なる構成を提供するために、8365つのLTXNUMX回路が含まれています。tage出力レール。

EVAL-CN8365-ARDZには、デュアル高電圧を提供するように構成された0586つのLTXNUMX回路が搭載されています。tag大量の需要に応えるtagスイッチで高電圧を簡単に切り替えることができますtag電源出力は表 2 に示すようになります。詳細については回路図を参照してください。

重要な注意: ユーザーやオンボード回路への潜在的な損傷を回避するために、ボードに電力を供給する前に HV 出力を設定してください。

表2. 高電圧電源出力値

S1/高電圧VCC/高電圧VSS

位置A	+205ボルト	0 V (無効)
ポジションB（デフォルト）	+110ボルト	−110V

カスタムHV出力範囲
EVAL-CN0586-ARDZ は、表 2 に示すように、あらかじめ決められた HV 出力範囲を提供します。HV 出力を制御する DAC の柔軟性を考慮すると、目標動作範囲に合わせて HV 電源を最適化することを検討することが重要です。回路の説明では、出力範囲の計算方法を説明します。

例えばampたとえば、目標の HV 出力範囲が 20 mA 負荷で -80 V ～ 10 V の場合、+/-100 V 電源は実用的ではありません。HV ドライバだけで 800 mW もの電力が消費されます。この場合、ADHV4702-1 のヘッドルーム要件は 2 V のみであることがわかります。つまり、最適化された電源ソリューションには、各電源レールで 2 V という低いヘッドルームが必要です。

安全に関する考慮事項

デジタルアイソレーション
高ボリュームでtageアプリケーションでは、低電圧で動作する回路領域を保護することが重要です。tagこのリファレンスデザインでは、デジタルアイソレータがコントローラボードEVAL-SDP-CK1Zを高電圧から保護します。tagドライバセクションの障害を検出します。ADUM4151 は、最大 17 MHz の SPI クロックレートと 35 kV/μs の過渡耐性を提供できるシリアルペリフェラルインターフェイス (SPI) の絶縁に最適化されたデジタルアイソレータです。ADUM4151 には、独立したデジタル制御用に 4151 つの低データレート絶縁チャネルも追加されています。このデバイスは、安全性と規制の承認に関して UL、CSA、および VDE 規格に準拠しています。ADUMXNUMX の代替品については、「一般的なバリエーション」セクションを参照してください。

AD5754R出力の保護
HV ampライファイアADHV4702-1は、最大出力ボリュームに設定できます。tage は 220 V です。AD5754R の出力を保護するために、図 2.5 に示すように、オフセット DAC のチャンネル B に、グランドに終端された 4 kΩ の抵抗が追加されています。この保護抵抗は、50 kΩ および 2.5 kΩ のゲイン設定抵抗 (および AD5754R のデュアル電源) とともに、DAC 出力の絶対最大定格が決して違反されないことを保証します。
抵抗器の組み合わせにより、ボリュームtag仕切りが形成され、ボリュームが確保されますtagDAC出力に見られるように、高圧フィードバックループのeは、|220| x 2.5 / (2.5 k + 2.5 k + 50を超えることはありません。
k) = |9.1V|であり、これはAD5754Rの絶対最大定格内です（詳細についてはデータシートを参照してください）。XNUMXつの欠点はtagこの構成の欠点は、DAC の出力が 2.5 kΩ の保護抵抗器を介して電力を消費し、自己発熱が発生することです。

2.5kΩの保護抵抗はHVに影響を与えません ampライファゲイン。より小さい値を使用することもできますが、ボリュームとゲインの間に一定のバランスを見つける必要があります。tag保護と消費電流、および抵抗器によって誘発される自己発熱について説明します。

ソフトウェアのシャットダウン

EVAL-CN0586には、ファームウェアコマンドシーケンスとAD5754R DACの「非同期クリア」機能を利用するソフトウェア制御のシャットダウン機能があります。図1に示すように、追加のDAC出力（チャンネルD）がADHV4702-1シャットダウンピンに接続されています。ファームウェアコマンドシーケンスはDACチャンネルDをローに設定し、HVの出力を効果的にシャットダウンします。 ampまた、メイン（チャンネルA）とオフセット（チャンネルB）DACの出力を同じ出力ボリュームに設定します。tage 値となり、0 V 出力になります。
/SD ピンはデフォルトでプルダウンされており、2.5 V ロジックをサポートしているため、DAC を汎用入出力 (GPIO) に置き換えることができます。

過熱シャットダウン
システムは、ADHV4702-1のシャットダウンおよび温度監視機能を活用することで、最大温度仕様を超えて動作することによるパフォーマンスの低下を回避できます。これを実装するには、オンボードジャンパーJP4を使用して/SDピンをTMPピンに接続します。これにより、TMPピンの電圧がtage はデバイスのシャットダウンをアサートします。この機能の詳細については、ADHV4702-1 のデータシートを参照してください。
JP4を使用して過熱シャットダウンを選択した場合、HVのDAC制御（ソフトウェア）シャットダウン ampライファイアは無効です。クリア機能は影響を受けません。

パワーオンリセット (POR)
AD5754R には POR 回路があり、DAC レジスタの電源投入時にゼロコードがロードされ、すべての DAC チャネルがパワーダウンモードになります。つまり、HV ドライバ回路へのすべての入力と HV 出力も 0 V に設定されます。

スルーレート保護
ADHV4702-1の全帯域幅またはその近くで連続動作する場合、デバイスの接合部温度TJに影響を与える供給電流が増加します。この設計では、推奨入力clampBAV1999LT1Gを用いた方法を採用した。amp差動入力ボリュームtage このように dampスルーレートを低下させ、ADHV4702-1 の大信号帯域幅を減少させますが、動的動作ではそれを保護します。

安全な操作領域（SOA）
高ボリュームでは重要tagデバイスのSOAはデバイスの電力処理能力を表すため、アプリケーションはSOAを理解するのに役立ちます。CN0586では、ADHV4702-1が駆動を担当しています。tagそのため、SOAは慎重に再検討する必要がある。viewed. 高周波での動作、例ample はデバイスの消費電流を増加させ、ジャンクション温度 TJ を直接上昇させます。詳細については、製品データシートを参照してください。

上のグラフはADHV4702-1のDC SOAを示しており、出力電流と電圧の関係を示しています。tag出力sにわたるetagopのe-ampDCで動作する場合、デバイスは出力電圧の差から生じる電力を消費します。tage と電源、および負荷によって消費される電流。曲線の下の領域は、TJ < 150 C を維持するための安全な動作の境界を示しています。

推定接合部温度を計算するには、次の式を使用します。

VSYS は |VCC-VSS| で表される総電源です。
ISYS はデバイスの電力消費量です。
θJA は部品の接合部から周囲までの熱抵抗です。
TA はデバイスが動作する周囲温度です。

デバイスの SOA 曲線と θJA はどちらも、製品がテストされる条件に固有のパラメータです。これらのパラメータを使用して計算する場合は、許容範囲を持たせることが設計上望ましい方法です。

接地と絶縁
前のセクションで説明したように、CN0586 はデジタルアイソレータを使用して、制御ボード、PC、およびデジタル制御用のその他の周辺機器を保護します。これらのデバイスは通常、アースグランドに終端されます。設計された保護を維持するには、EVAL-CN0586-ARDZ に電力を供給する外部電源をフローティングにするか、アースグランドに対してある程度の絶縁を提供することをお勧めします。

PCBは高電圧を簡単に認識できるように設計されている。tag図 7 に示すように、e 領域はデジタル領域から分離されています。HV 領域も上部のポリカーボネートカバーと下部のコンフォーマルコーティングで保護されており、ユーザーの安全性が向上しています。

一般的なバリエーション

このセクションでは、このリファレンスデザインに適用できる一般的なバリエーションについて概説します。
DACには、メインとオフセット制御用に最低5689つのチャンネルが必要です。より小型のDACソリューションとして、16ビットのデュアルコンパクトボリュームであるADXNUMXRがあります。tag内部リファレンスを備えた e 出力 DAC を検討することもできます。同様の精度を提供しますが、フットプリントは 3 mm x 3 mm と小さくなります。
高密度システムには、5676 ビット、16 チャンネル DAC の AD8R が適しています。このデバイスはオンボードリファレンスも提供し、小型の約 2 mm x 2 mm WLCSP パッケージで提供されます。
HVドライバのバリエーション：より高い電流駆動要件には、6090VレールツーレールオペアンプのLTC140が適しています。ampを代替として使用することができます。最大ボリュームtag範囲が狭くなると、ターゲット負荷に最大 50 mA の駆動電流を供給できます。

統合ソリューションとして、AD8460は80V出力スパン、1A連続駆動電流、1.8pF負荷への1000kV/μsスルーレート、1MHz帯域幅HVドライバを14ビット高速DACとパッケージ化して提供できます。この「ビット入力、パワー出力」ソリューションには、内蔵任意波形ジェネレータ（AWG）、デジタルプログラマブル電流、電圧などのデジタル機能も付属しています。tage および熱障害監視など。製品データシートをご覧ください。

ADHV4702-1自体も、より高い電流駆動能力を提供するように変更することができます。図8は、任意のADHVXNUMX-XNUMXの電流駆動能力を高める構成を示しています。 amp離散ユニティゲインsを利用するtage、オリジナル amp個別デバイスの電流処理仕様を最大限に高めながら、ライファイアの高精度なパフォーマンス能力が維持されます。

図8. ADHV4702-1高電流出力ドライブ回路図
電源ソリューションに関しては、LT8365は出力電圧を提供します。tagブーストとボリュームを使用して最大+/-420 Vまでtagダブラー構成。図 9 は、製品データシートの代表的なアプリケーションの XNUMX つから抜粋したものです。

回路の評価とテスト
EVAL-CN0586-ARDZ は、Arduino® Uno 互換ヘッダーで利用可能なデジタル周辺機器を備えた EVAL-SDP-CK1Z STM32F469NIH6 Arm® Cortex®-M4 ベースのマイクロコントローラボードとペアになっています。完全なソフトウェアとハードウェアのセットアップおよびその他の重要な情報については、CN0586 ユーザーガイドを参照してください。

必要な機器

評価ボード
EVAL-SDP-CK1Z
+/−15V電源
Microsoft Windows 10 OS 以上の PC

クイックセットアップとテスト

ユーザーガイドで説明されているように、ジャンパーとスイッチがデフォルトの位置に設定されていることを確認します。評価ボードを SDP-K1 ボードに接続します。
図 15 に示すように、外部 +/−1V 電源を P10 に接続します。安全のためにボードカバーが取り付けられていることを確認してから、電源をオンにします。

ボードの電源がオンになったら、SDP-K1 ボードと PC の間に USB タイプ C ケーブルを接続します。接続が成功したことを確認するには、SDP-K2 ボード上の SYS PWR というラベルの付いた DS1 LED を探します。LED が赤く点滅している場合は、何らかの問題が発生している可能性があります。
ACEアプリケーションを実行します。ACEの「スタート」ウィンドウで、
図0586に示すように、EVAL-CN11-ARDZが「接続されたハードウェア」セクションに表示されます。
- 初回セットアップでは、ACE は CN0586 のプラグインドライバーのインストールを要求します。
- EVAL-CN0586-ARDZ ハードウェアが接続されたハードウェアに表示されない場合は、電源、PC 接続、および ACE ソフトウェアをリセットしてください。
プラグインをダブルクリックしてボードを開きます view図12に示すように。
必要な「HV 出力範囲」を選択します。「HV 出力状態」を「有効」に設定し、必要な HV 出力値を入力します。

EVAL-CN0586-ARDZではPythonを使用してカスタムパターンや波形を生成することもできます。図13と図14は、いくつかの例を示しています。ampPython exを使用して生成された波形ampデザインに含まれるもの fileCN0586 の s。PYADI-IIO を使用して Python を設定する方法については、ユーザーガイドを参照してください。

もっと詳しく知る

CN0586 設計サポートパッケージ:
CN0586 ユーザーガイド
ACEホームページ
Py-ADI IIO ウィキ
Py-ADI IIO Github

データシートと評価ボード

CN-0586 回路評価ボード (EVAL-CN0586-ARDZ)
システムデモンストレーションプラットフォーム（EVAL-SDP-CK1Z）
AD5754R データシート
ADHV4702-1 データシート
ADUM4151 データシート
LT8365 データシート

改訂履歴
6年2024月-リビジョン0：初期バージョン

ESD注意
ESD (静電放電) に敏感なデバイスです。充電されたデバイスや回路基板は、検出されないまま放電することがあります。この製品には特許取得済みまたは独自の保護回路が搭載されていますが、高エネルギー ESD にさらされたデバイスは損傷を受ける可能性があります。したがって、パフォーマンスの低下や機能の損失を避けるために、適切な ESD 予防措置を講じる必要があります。

Circuits from the Lab 回路は、Analog Devices 製品での使用のみを目的としており、Analog Devices またはそのライセンサーの知的財産です。Circuits from the Lab 回路を製品の設計に使用することはできますが、Circuits from the Lab 回路の適用または使用によって、いかなる特許またはその他の知的財産に基づくその他のライセンスが暗黙的にもその他の方法でも付与されることはありません。Analog Devices が提供する情報は正確で信頼できるものと考えています。ただし、Circuits from the Lab 回路は「現状のまま」提供され、明示、黙示、法定を問わず、商品性、非侵害、特定目的への適合性に関する黙示の保証を含むがこれに限定されない、いかなる種類の保証も付与されません。Analog Devices は、その使用、またはその使用に起因する第三者の特許またはその他の権利の侵害について一切の責任を負いません。Analog Devices は、Circuits from the Lab 回路を予告なくいつでも変更する権利を留保しますが、変更する義務はありません。

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よくある質問

Q: 入力ボリュームはいくらですかtag製品の範囲は？
- A: 入力ボリュームtageの範囲は24V〜220Vです。

Q: 最大出力音量はどれくらいですか?tagサポートされていますか?
- A: この製品は出力ボリュームをサポートできますtag最大200Vのes。

ドキュメント / リソース

アナログデバイス CN-0586 高精度高電圧tagバイポーラアナログ出力モジュール [pdf] ユーザーガイド
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参考文献

ユーザーマニュアル