基板面積の縮小に役立つ小型データ・コンバータ

Dec 11, 2019

Other Parts Discussed in Post: ADS7042, DAC53608, DAC53401, ADS7138

システムの小型化がますます加速するなか、プリント基板（PCB）のわずかな面積も無駄にできなくなっています。それと同時に、データの需要の高まりから、モニタリングが必要なセンサの数も増えています。

この記事では、TIの小型データ・コンバータを使って、PCBのフットプリントを大幅に削減し、チャネル密度を高め、他の部品や機能をより高度に統合することで、小型ながら高い価値を提供する方法を説明します。

メリットその1：PCBフットプリントの削減

設計やパッケージの技術の進歩に伴い、電子部品のサイズは縮小し続けています。図1のように、TIの最新のシングルチャネルADC『ADS7042』のフットプリントは2.25mm²と、10年前の同等のADCと比べてサイズがほぼ半分にまでなっています。同じく、TIの最新のシングルチャネルDAC『DAC53401』は、10年前の同等のDACの4分の1の大きさです。同様にマルチチャネル・アプリケーションに対しては、TIの最新の8チャネルADC『ADS7138』とDAC『DAC53608』のフットプリントはいずれも9mm²（1チャネルあたり約1mm²）です。

図1：TIの超小型データ・コンバータ

このような小型のデータ・コンバータを用いれば、スペースに制約のある設計でPCBのサイズを削減したり、同じPCBサイズに詰め込めるチャネル数が増えたり、あるいはその両方が可能になります。

メリットその2：アナログ機能の統合

多くのシステムで、シグナル・コンディショニングやバイアス処理、コンパレータなどのさまざまなアナログ機能を実装するために、ディスクリート部品やパッシブ部品が使われています。しかし、TIの小型データ・コンバータにはこれらの機能が内蔵されているため、多数のディスクリート部品やパッシブ部品が不要になり、それにより、PCBのサイズの削減、設計の簡素化、性能の改善、信頼性の向上が実現されます。

このような統合の例をいくつか紹介します。

外付け部品数の削減
図2に示すように、『DAC53401』には出力バッファに加えて内部リファレンスが備わっているため、PCB面積とコストが削減されます。

図2：リファレンスとバッファを内蔵した『DAC53401』

その他にも図3の『ADS7138』では、ほとんどのアプリケーションで入力側のドライバ・アンプを必要としないため、この場合もPCB面積とコストが削減されます。

図3：外付けアンプが不要な『ADS7138』

固定と可変両方のバイアス電圧の生成

『DAC53401』のEEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）とスルー・レート制御機能は、固定または可変のバイアス電圧の生成に最適です。図4は、照明アプリケーションの例です。

図4：LEDにバイアス電圧をかける『DACx3401』

アナログ/デジタル・コンパレータ

コンパレータは、電流、電圧、温度といった重要な信号のどれかが想定範囲から外れた場合に、ただちにホスト・コントローラにアラートを出すために、システムでよく使われます。このコンパレータは、反応時間が高速でなければならず、誤警告も避ける必要があります。

図5に示すように、別個にフィードバック・ピン（FB）を使うことで、プログラム可能な閾値電圧を使ったアナログ・コンパレータとして『DAC53401』を使うことができます。

図5：内部アンプのフィードバック・パスへのアクセスを備えた『DACx3401』

図6に示すように、『ADS7138』は、プログラム可能な閾値、ヒステリシス、イベント・カウンタといった機能の付いたデジタル・コンパレータ機能を内蔵するため、誤って警告を出す可能性が非常に低くなります。

図6：デジタル・コンパレータとして機能する『ADS7138』

メリットNo.3：デジタル機能の統合

小型データ・コンバータは、リモートでセンサ・コンディショニングができるだけでなく、リモートでのデータ処理も可能です。その場でデータを処理できることで、リモート・センサの性能が向上し、警告が発生した場合の反応時間が短縮されると同時に、中央プロセッサの処理帯域がある程度解放されます。

例をいくつか紹介しましょう。

ノイズ特性を改善する出力平均化

一般的な手法として、システム内のノイズの影響を弱めるために、短い期間にわたるセンサ測定値の平均化が行われます。図7に示すように、『ADS7138』は、128ものサンプルを平均化できるため、ノイズの影響が10倍以上も軽減されます。

図7：『ADS7138』内部の平均化機能

汎用入出力（GPIO）

多くのシステムで、警告を検知したらすぐに、（発熱している部分をオフにしたり、ハザード表示をオンにしたりするなどの）制御行動を起こす必要がありま��。『ADS7138』では、アナログ入力チャネルの一部でセンサをモニタリングしながら、未使用のアナログ入力チャネルはGPIOピンとして使用できます。図8に示すように、モニタリング対象のセンサでGPIOピンの状態をローカルで制御すること��、あるいは中央プロセッサがI2Cインターフェイスを介してリモートで状態を制御することもできます。

図8：ADCとGPIOとしての『ADS7138』

波形生成

システムによっては、（医療アプリケーションの場合のように）ピッチ音を出したり、（照明アプリケーションの場合のように）LEDをゆっくりと点滅させたりするために、ある特定の波形を生成する必要があります。『DAC53401』のようなDACには連続波形生成と呼ばれる機能があり、図9のように三角波、方形波、台形波、あるいはノコギリ波を生成することができます。