低電力ソリューションは、センサ励起要件に対応

測定可能な出力を生成するために励起を必要とするアクティブセンサ向けに、技術者は、必要な電流または電圧レベルを提供するさまざまなオプションに頼ることができます。 オペアンプをベースとするシンプルな励起回路から、高度に統合された多機能ICに至るまで、利用可能なオプションには、Linear Technology、Microchip Technology、およびTexas Instrumentsなどのメーカーが提供する各種のデバイスが含まれます。

センササブシステムは、モノのインターネット（IoT）への関心の急速な高まりによって促進され、薄膜電池および環境発電技術で何年間も動作することが期待される多くの設計の中核を成しています。 しかし、信頼できる測定のために、サーミスタ、抵抗温度検出器（RTD）、歪みゲージなどの多くの抵抗ベースのセンサは、電気出力を生成するために、電流または電圧源からの励起を必要とします。

RTDの励起電流源出力電圧は、デバイスの抵抗に正比例します。 高励起電流はより大きな電圧出力を示しますが、RTDの抵抗は、より高い電流からその温度が上昇すると増加します。 逆に、サーミスタの抵抗は、類似の自己発熱効果からその温度が上昇すると低下します。 それらのタイプに加えて、ホール効果センサなどの他のトランスデューサは、適用される励起により著しく異なる性能特性を示します。 その結果、アクティブセンサは一般的に、非直線性を最小限に抑えた信頼できる測定を確保するために、厳密な制限内で維持された励起を必要とします。

技術者は、Texas Instrumentsが提供するREF200などの利用可能な電流源IC、およびTIが提供するOPA188などの基本的なオペアンプを使用して、シンプルな励起回路を構築することができます（図1）。 このアプローチで、技術者は、望ましいセンサ測定範囲の下端で、オペアンプの出力電圧をゼロに調整するために、電流源によって生成される整合のとれた2つの励起源を使用することができます。


図1：Texas Instrumentsが提供するOPA188などの基本的なオペアンプと、TIが提供するREF200などの電流源の組み合わせは、RTD温度センシングのための望ましいスケールの下端で0V出力を提供するように調整可能なセンサ励起回路を提供します（Texas Instrumentsの提供）。

この基本的なアプローチは、各種のシンプルなセンサ励起要件に役立つことができますが、このアプローチで別々のソースを使用すると、センサシステムにおけるデータ変換経路の設計が複雑化する可能性があります。 センサ回路をさらに簡素化するために、設計者は、センサと信号経路の両方のために1つの電圧源を使用するように回路を構成することができます。 レシオメトリック測定技術を使用するこのアプローチで、同じ電圧源は、センサ用の励起として、かつA/Dコンバータ（ADC）用の基準電圧として機能します。

絶対電圧測定として出力を提供するのではなく、レシオメトリック測定は、センサ出力電圧と電源電圧の比であるセンサ値を提供します。 レシオメトリック法により、外部電圧基準ICが不要となることで、設計の複雑性が低減されます。 さらに、レシオメトリック測定は、エネルギー出力の変動を受ける周囲源によって駆動される環境発電設計において可能性のある電源電圧の変動の影響を低減します。 実際、センサ励起とADCの両方に同じリファレンスを使用すると、電力レベルの変動が打ち消されます。

技術者は、Microchip TechnologyのMCP3551 ADCなどの高分解能ADCを使用して、このアプローチを適用することができます。 MCP3551は、22ビットシグマデルタADCで、差動入力を備え、ピンV_REFに接続された外部電圧基準と動作するように設計されています。 レシオメトリック設計で、V_REFはV_DDに接続され、これはまた、ブリッジの励起電圧源として機能します（図2）。 設計者は、センサ出力を直接デジタル化するために、高分解能MCP3551を使用することができ、追加の外部信号調整回路が不要になることで、消費電力および回路フットプリントを最小化することができます。


図2：いくつかのアプリケーション向けに、技術者は、センサ励起およびADCリファレンスに同じ電圧源を使用するレシオメトリック測定技術を使用することで、設計を簡素化することが可能です。 このアプローチには、Microchipが提供するMCP3551などのADCが必要です。このADCは、外部高精度電圧基準を使用するか、ADC回路に内部で接続されたオンチップ高精度リファレンスを技術者が無効にすることを可能にします（Microchip Technologyの提供）。

設計者はまた、レシオメトリック設計でMCUを使用して、センサ励起機能を構築することができます。 Microchip TechnologyのPIC16C774を使用して、技術者は、励起電圧を提供するMCUの内部電圧基準の1つのバッファ出力を備えたシンプルな励起回路を構築することが可能です。 ブリッジセンサからの差動出力はさらにバッファおよびフィルタされ、MCUのオンチップADCに提供されて（図 3）、センサ励起を持つ完全なデータ変換ソリューションを実現します。


図3：設計者は、バッファリング、増幅、およびフィルタリングのための外部コンポーネントを最小限に抑えて、センサ励起と測定の両方を提供するために、Microchip TechnologyのPIC16C774 MCUなどの高度に統合されたMCUを使用することができます（Microchip Technologyの提供）。

それにもかかわらず、多くのアプリケーションには、ノイズを低減し、ダイナミックレンジを増大し、センサの非直線性を補償するために、大幅な信号調整が必要です。 これらの設計向けに、高度なアナログフロントエンド（AFE）信号コンディショナICは、信号処理能力を、センサ励起機能と組み合わせています。 Texas InstrumentsのLMP90080 信号コンディショナICは、RTDおよびブリッジセンサを励起するために、100～1,000μAを提供することができる整合のとれた2つのプログラム可能電流源を統合しています（図4）。


図4：Texas InstrumentsのLMP90080 ICは、完全なセンサ信号調整能力を、電流源の1つのペアであるIB1およびIB2と組み合わせています。このIB1およびIB2は、従来のPT-100デバイスに基づくこの3線式RTD回路などの設計におけるセンサ励起のために100～1,000μAを提供することができます（Texas Instrumentsの提供）。

センサ励起は、磁界の存在下で出力電圧を生成するホールセンサにより多く関わるようになりました。 これらのトランスデューサは、スマートメータにおける近接から電流センシングに及ぶさまざまなアプリケーションで使用されており、トランスデューサに適用される励起電圧に比例する磁気感度を示します。 一般的な設計で公称励起電圧を使用するホールセンサは、それ自体で数ミリアンペアの電流を消費し、これは、厳しい電力バジェットでの環境発電設計に許容できない電力要件です。 その結果として、環境発電設計でホールセンサを使用する必要がある技術者は、電流を低減するために励起電圧の低減を求めるかもしれません。 残念ながら、励起の大幅な低減は、それに対応するセンサ感度の低減を意味します。

センサのエネルギー消費を低減しながら設計全体の感度を維持するための1つのアプローチは、Linear TechnologyのLT1790マイクロパワーリファレンス、LT1782オペアンプ、およびLT6011高精度オペアンプなどの超低電力デバイスに基づいて構築されています（図5）。 ここで、LT1782は、励起電流を一桁分低減するために、LT1790リファレンスからの減衰された出力をバッファします。 センサ感度は、それに対応して低減しますが、計装アンプとして構成されたLT6011オペアンプは、補償のために一桁分のゲインを提供し、設計全体で同じレベルの感度を効果的に、かつ大幅に低減された電力レベルで提供します。


図5：超低電力ICを使用することで、設計全体の感度を維持し、より低いセンサ励起レベルを補償するためにセンサ出力を高めることができます（Linear Technologyの提供）。

広い温度変動に直面するホールセンサアプリケーション向けに、Texas Instrumentsが提供するDRV411などのデバイスは、統合されたソリューションを提供します。 TIが提供するRTDセンシングアプリケーション向けのLMP90080と同様に、TIのDRV411は、完全な信号調整経路を、統合されたセンサ励起機能と組み合わせています。 オフセットおよびドリフトを低減するように特に設計されたDRV411は、一定レベルでホールセンサの感度を維持するために、温度によって異なる励起電流を提供します。 精度をさらに高めるために、このデバイスは、励起電流が直交方向で回転され、オフセットをキャンセルし、1/fノイズを低減するためにセンサ出力が平均化される回転電流方法を使用します。

結論

電圧または電流励起源の使用は、RTD、ブリッジセンサ、およびホール素子などのアクティブセンサの適切な動作に極めて重要です。 基本的な要件のために、技術者は、オペアンプを使用して適切な励起回路を構築するか、または設計を簡素化するためにレシオメトリック測定法を採用することができます。 より複雑な要件向けに、高度に統合されたデバイスは、測定精度を高めるように設計された高度な励起機能を提供します。 各種の利用可能なICおよび設計方法は、低電力環境発電設計におけるセンサ励起にすぐに使用できるソリューションを技術者に提供します。

この記事で扱っている部品の詳細については、このページにあるリンクを使用して、DigiKeyウェブサイトの製品情報ページにアクセスしてください。