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HOMEPR News > 【旭化成エレクトロニクス#14】フォトダイオードの出力に適したA/Dコンバーターは?

旭化成エレクトロニクス(株)

【旭化成エレクトロニクス#14】フォトダイオードの出力に適したA/Dコンバーターは?

製品・サービス

  • 2017/11/15 00:00

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旭化成エレクトロニクス(AKM)のA/Dコンバーター(以下ADC)連載シリーズ第14話目。今回は、光学式エンコーダを例にAK924Xの使い方を紹介します。
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A君「フォトダイオードは光学式のエンコーダでよく使ってますけど、後段回路を設計したことないんですよ。スリットやフォトダイオードの設計はしているんですけど」
K先輩「フォトダイオードの後段回路は、(1)トランスインピーダンスアンプ(以下TIA)を使う方法と、(2)外付けの抵抗でI-V変換する方法の2つが基本かな」(図1)
A君「I-V変換っていうのは、電流-電圧変換のことですっけ?」
K先輩「そうよ。センサー出力が電流出力型の時に必要よ。電流出力型センサーの代表格がフォトダイオードね」

K先輩「(2)の抵抗でI-V変換してからハイインピーダンスでバッファする方法は、わかりやすくていいんだけど、フォトダイオードの逆電圧が変動してしまうことと、周波数応答性を高くできないことがデメリットね」
A君「電流出力型のセンサーの場合、ローパスフィルターってどうやって計算するんですか?」
K先輩「出力端子に接続されている抵抗と容量から計算できるよ。この容量はフォトダイオードの接合容量が支配的な場合が多いね。例えば接合容量が30pFで、I-V変換抵抗を130kΩにすると、カットオフ周波数は40kHzね」(図2)
A君「40kHzって低めですね。光学式エンコーダのスリット数が500だとして、モーター回転数6000rpmの時に出力周波数は50kHzだから、高回転時に出力波形が減衰しちゃいます。容量や抵抗を小さくしないと」
K先輩「容量はフォトダイオードでほぼ決まるから、小さくしにくいのよ。だからと言って、抵抗を小さくすると出力電圧が小さくなるでしょ? 出力電圧が小さいってことは信号が小さいわけね。結果として、ノイズ特性が劣化してしまうのよ。応答性を改善したい時は(1)のTIAを用いるのがお勧め」

A君「TIAを用いるとなんで抵抗を大きくできるんです?」
K先輩「TIA構成だとアンプがフォトダイオードの出力を一定電圧に抑えてくれるからね。詳しくは自分で回路の伝達関数を解いてね」
A君「ふーん。確かにうちの製品でもTIAを使っていますね」
K先輩「TIA構成の注意点だけど、TIAは入力負荷容量に敏感だから、下手に設計すると発振してしまうわ」
A君「げ、発振! 嫌な響き……」
K先輩「オペアンプの位相補償をきちんと設計する必要があるよ。使用するオペアンプのデータシートも読んで、使えるかどうか判断しないとね」
A君「うーん。自信ないなぁ」
K先輩「それにTIAの入力ラインはかなり繊細なの。PCB基板で無駄に引き回してしまうと、電磁ノイズを拾いやすくなってしまって特性が劣化しやすいよ」
A君「なかなか上級者向けですねー、僕にはまだ無理ですかねー」
K先輩「そんな君に朗報なのが、AKMの前段アンプ内蔵ADCであるAK924Xシリーズよ。なんとTIAが内蔵されているの!」
A君「え、AK924Xって計装アンプ入力でしたよね?」
K先輩「ホール素子やSMR素子のような電圧出力型センサーの後段に使用する場合は計装アンプ入力モードを使用するけど、実は電流出力型センサーの後段のために、TIA入力モードも選択可能なのよ」(図3)
A君「計装アンプもTIAも選択できる……、なんてゴージャスなんだ!」
K先輩「微小電圧にも微小電流にも両方対応、各種センサー後段に最適な前段アンプ内蔵ADC、それがAK924Xシリーズよ!」
A君「キャッチーな宣伝を入れ込みましたね」
K先輩「4mm角/3mm角のQFNパッケージだから、フォトダイオードのかなり近くまで配置できるよ。しかもAK9242/43ではアノード、カソードコモン接続のどちらにも対応しているのよ」
A君「でも、内蔵されているから逆にTIAのスペックがわかりにくいですね。発振とか不安……」
K先輩「入力負荷容量が100pFまでは発振しないように設計が最適化されているのよ」
A君「へえー。じゃあ入力負荷容量だけ気を付ければいいんですか。それでTIAの設計をしなくて済むのは楽だなぁ」
K先輩「ちなみにAK9240NKの方には、LEDドライバーやオートパワーコントロール回路まで入っているのよ」
A君「詰め込んでますねー」
K先輩「AK9242/43は4.2V、AK9240は2.7Vまでの低電源で動くのも嬉しいね」
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次回の配信は11/22の予定です。

図1  I-V変換する構成比較
図2 電流出力型センサーの等価回路
図3 AK924Xシリーズのブロック図

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