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アナログフロントエンド設計を簡素化する適切な高精度オペアンプの選択

筆者： Bill Schweber氏 2024-05-02

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経験豊富な回路設計者は、アナログフロントエンド（AFE）やアナログ信号チャンネル向けの特定のオペアンプを慎重に選択するために時間を費やすことが有効であると知っています。リード線が8本しかない場合もあるこの小さな部品は、小さく壊れやすいセンサの出力信号を増幅し、バッファリングし、フィルタリングするという、控えめですが重要なタスクを担っています。

適切なオペアンプを使用することで、信号チャンネルの性能が目的を満たすようになり、その後デジタル化された信号に対して実行する信号処理と解析アルゴリズムが簡素化されます。この部品だけでゲイン、入力範囲、ノイズ、安定性、その他の属性について適切な仕様の組み合わせが提供されるため、分かりにくいエラーやデータ不整合を追いかけることに伴う厄介なデバッグ作業を最小限に抑えることができます。

アナログ部品と回路の専門家である故ボブ・ピース氏がよく言っていたように、「1つの優れたオペアンプは1000のゲートに値します」。彼の言葉には、比喩的な意味と文字通りの意味があります。オペアンプを正しく選択すれば、デジタルやソフトウェアの世界で頭を悩ませることが少なくなるのです。

AFEに「最適な」オペアンプを選択することは、しばしば課題となります。オペアンプの多くの仕様は、設計上のトレードオフと妥協のバランスを見つけることから生まれるためです。これらの属性は、プロジェクト性能の優先順位に対する設計者の相対的比重と一致させる必要があります。幸いなことに、新しいオペアンプはこうしたトレードオフを低減します。

一例として、デュアルチャンネルの40V高精度オペアンプであるAnalog DevicesのADA4510-2があります。このオペアンプは、低入力バイアス電流、低オフセット電圧、低オフセット電圧ドリフト、低ノイズ、8リードナローボディSOICパッケージのレールツーレール入出力を特長としています。センシング、調整、出力ドライブなど、信号チェーンのほぼすべてのポイントで使用できます（図1）。

図1：ADA4510-2は、AFEおよびアナログ信号チェーン全体の多くの重要なポイントで高精度な機能を提供します。（画像提供：Analog Devices）

このデバイスは、設計者が信号チェーン用のアンプを選択する際に遭遇する「ペインポイント」の多くを解消します。アプリケーションの優先順位は異なりますが、このオペアンプは、電子検査/計測、データ収集システム、自動テスト装置、医療機器、多重化入力信号チェーン、高精度電流計測、フォトダイオードアンプなど、多くのアプリケーションで優れた性能を発揮します。

その強化された性能の多くは、独自のDigiTrim技術によるものです。DigiTrimにより、すでにトリミングされたベアチップの特性に加えて、アセンブリやパッケージングの影響による機械的ストレスに起因するオフセット電圧やドリフトが補正されます。

この特許技術を使用することで、ADA4510-2は優れた低オフセットドリフト（±70nV/°C標準、最大±500nV/℃）と低オフセット電圧（±5μV標準、最大±20μV）を実現し、精密設計における温度関連の較正を簡素化します。さらに、データシートには、すべての重要なパラメータについて、標準的な数値と最小または最大の仕様（必要に応じて）が記載されています。

レイアウトとガーディング

多くのアナログ部品、特にADA4510-2のような精密部品では、その潜在性能を引き出すために、レイアウトの細部や微妙な点を注意深く考慮することが不可欠です。ADA4510-2は非常にハイインピーダンスな入力を備えているため、プリント回路基板（プリント基板）レイアウトのリーク抵抗や寄生容量によるシャントインピーダンスが、その低バイアス入力の性能を著しく劣化させます。ADA4510-2のデータシートに詳細が記載されています。

データシートでは、入力ノードが受ける電圧勾配を低減することで寄生リーク電流から保護するために「ガーディング」が必要な場合があることが強調されています。ガーディングとは、高インピーダンスのノードを取り囲むように低インピーダンスの導体を作成し、そのノードの電圧まで駆動する確立された技術です。この技術は、リーク電流を高感度ノードから低インピーダンスのガードに迂回させることで、リーク電流を緩衝する役割を果たします（図2）。

図2：ガーディングは、高インピーダンス入力における電流リークの有害な影響を最小限に抑えるために使用される技術です。上の画像は回路図を使用してガーディングの概念を示し、下の画像は回路基板上でのガーディングレイアウトの実装を示しています。（画像提供：Analog Devices）

評価ボードの活用

独自のテストレイアウトの製作に時間を費やしてアプリケーションでのADA4510-2の適合性を評価するよりも、ベンダーが提供する最適化された評価ボードを使用するほうが時間の節約になり、性能も向上します。そのために、Analog DevicesはEVAL-ADA4510-2ARZを提供しています（図3）。この小型設計では、バイパスコンデンサと終端抵抗を除き、標準0603（0.06×0.03インチ）ケースサイズのSMT（面実装技術）部品を使用しています。

図3：EVAL-ADA4510-2ARZ評価ボードは、ADA4510-2を実行し、対象アプリケーションでその特性を評価するための、小型で便利な最適化されたツールです。（画像提供：Analog Devices）

この評価ボードは、幅広い抵抗とコンデンサの未実装フットプリントを備えており、さまざまなアプリケーションに特化した回路を実装するための選択肢と柔軟性をユーザーに提供します。また、トランスインピーダンスアンプ（TIA）を簡単に構成できるように、フォトダイオードセンサにも対応しています。レイアウトには、TIAアプリケーションで要求される低リークと低寄生容量を保証するためのガーディングが含まれます。

このボードには、テスト機器や他の回路とのインターフェース接続を容易にするため、エッジマウントSMAコネクタが組み込まれています。全7ページのUG-2133ユーザーガイドには、セットアップ情報、回路図、上下面のプリント基板レイアウトパターン、部品表（BOM）が含まれており、設計ガイドとして使用したい設計者のために用意されています。