LTspiceで絶縁アンプ

遠坂俊昭著計測のためのアナログ回路設計にて紹介されているアイソレーション・アンプをLTspiceを用いてシミュレーションしました。

001_20110122033626.png 002_20110122033626.png


絶縁増幅回路(アイソレーション・アンプ)


計測器で複数チャンネルの信号を測定する場合、ノイズ対策として、あるいは、安全対策としてそれぞれの信号間を絶縁したいという要求がしばしば発生します。(参考:計測のためのアナログ回路設計)
異なるGNDレベル間でI2C その1-6では、双方向のデジタル通信が必要となるI2Cを互いに絶縁された状態で実装する方法について触れました。

一方で、測定する対象は多くの場合アナログ信号であるので、アナログ信号を直接異なるGNDレベルに伝達できるアイソレーション・アンプ(ISOアンプ)が便利です。

今回のエントリでは、遠坂俊昭著計測のためのアナログ回路設計からフォト・カプラによる無変調タイプアイソレーション・アンプの回路をLTspiceを用いてシミュレーションしました。

標準デバイスで代替


LTspiceの標準デバイスでまにあわせるの考え方を元にオリジナルの回路図の使用部品をLTspiceに標準でインストールされているモデルに置き換えました。

Opamp:uPC813
LTspice標準の電源端子の無い理想OPアンプモデルを利用しました。パラメータはデフォルトから変更していません。
汎用フォトカプラ:TLP621GR
同じく汎用フォトカプラのPC817Cのモデルを利用しました。PC817Cは秋月電子通商で購入することができます。
汎用小信号NPNトランジスタ:2SC1815
汎用小信号NPNトランジスタの2N3904のモデルで代替しました。
ツェナーダイオード(9.5V):RD9.5EB2
10VのツェナーダイオードBZX84C10Lのモデルで代替しました。


シミュレーション結果


以下にLTspiceによるシミュレーション結果を示します。


001_20110122033626.png
fig.1: フォト・カプラによる無変調タイプアイソレーション・アンプのスケマティック

002_20110122033626.png
fig.2: ISOアンプの周波数特性


汎用のフォトカプラは異なるGNDレベル間でI2C その1,その2でも触れたとおり周波数特性があまりよくありません。

その後、異なるGNDレベル間でI2C その3のコメント欄にてpcm1723さんにフォトトランジスタの飽和を避けると高速に動作させることができるようになる事を教えていただきましたが、今回シミュレーションした計測のためのアナログ回路設計のISOアンプでもツェナーダイオードを用いてVCEを下げる工夫がなされています。

また、同じ遠坂俊昭さんが著者である電子回路シミュレータPSpiceによるOPアンプ回路設計では、1次側にOPアンプを追加したバージョンのISOアンプが紹介されており、回路シミュレータを用いて安定な負帰還をかけるための位相補償コンデンサの定数を計算する方法が解説されています。

関連エントリ




参考URL




付録


このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。(参考:ねがてぃぶろぐの付録)


参考文献/使用機器




フィードバック



にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ

 ↑ 電子工作ブログランキング参加中です。1クリックお願いします。


コメント・トラックバックも歓迎です。 ↓      


 ↓ この記事が面白かった方は「拍手」をお願いします。

tag: LTspice OPアンプ 絶縁 PC817C TLP621 

異なるGNDレベル間でI2C その6

異なるGNDレベル間でI2C その5では、pcm1723さんに教えていただいた汎用フォトカプラを高速化する方法を利用した絶縁双方向インターフェースの設計とシミュレーションをしました。

今回は、この回路をブレッドボード上に試作し、動作の確認をしました。その結果10kHzの矩形波に対して、実用に足ると考えられるという結論に至りました。
001_20081229225043.jpg 002_20081229225105.png 003_20081229225116.png

カレントミラー版の実装


これまで、異なるGNDレベル間でI2C その1その2その3その4とフォトカプラを用いた絶縁双方向インターフェースについての設計・試作を行ってきました。そして、その4の高速フォトカプラを用いた回路で、I2C高速モードに相当する400kHzの矩形波に対して十分に高速な応答を得られたため、一応の完成形を見たということにしました。

一方で、このときに使った高速フォトカプラTLP552は、電源電圧に5Vを要求することや汎用フォトカプラに比べて高価であることなどの問題点も持っています。
そこで、10kHz程度の周波数で動作する汎用フォトカプラを利用した絶縁双方向インターフェースの設計を行うことにしました。この回路にはpcm1723さんに教えていただいた汎用フォトカプラを高速化する方法を用いました。そのシミュレーション結果が、異なるGNDレベル間でI2C その5です。
このエントリでは、ブレッドボード上に試作した回路の特性を測定します。

実験条件


回路の外観と回路図を以下に示します。


001_20081229225043.jpg
fig.1: カレントミラー版回路の外観

002_20081229225105.png
fig.2: 回路図


波形・周波数測定にはPDS5022Sを用いました。
電源は送信側・受信側を共通にし、電源電圧は5Vとしました。電源装置は安物のスイッチング電源です。

10kHzでの結果



003_20081229225116.png

004_20081229225126.png
fig.3,4: 10us/div 1V/div


fig.3,4が10kHz時の結果です。赤のライン(CH1)が送信側で橙のライン(CH2)が受信側です。

100kHzでの結果



005_20081229225132.png

006_20081229225136.png
fig.5,6: 2.5us/div 1V/div


fig.5,6が100kHz時の結果です。赤のライン(CH1)が送信側で橙のライン(CH2)が受信側です。
大分うねうねしています。


007_20081229225141.png

008_20081229225148.png
fig.6,7: 1us/div 1V/div


時間軸方向に拡大してみました。

結論


10kHzでも多少の遅延・波形なまりが起こっていますが、その3の回路の測定波形と比べると、はるかに改善されています。

一方100kHzのほうはやはり実用には耐えそうにありません。

参考文献/使用機器



tag: インターフェース I2C 絶縁 フォトカプラ PC817C カレントミラー ISO-I2C ブレッドボード 

異なるGNDレベル間でI2C その5

異なるGNDレベル間でI2C その1その2その3その4とフォトカプラを用いた絶縁双方向インターフェースについての設計・試作を行ってきました。
そんな中、pcm1723さんが異なるGNDレベル間でI2C その3コメント欄汎用フォトカプラを高速化する方法を教えてくださいました。
この方法を用いれば、数10kHz程度までは綺麗な波形を保てそうです。

今回は、pcm1723さんに教えていただいた、出力段にカレントミラーを使う方式で高速化した汎用フォトカプラを用いた絶縁双方向インターフェースの検討をします。
002_20081220183829.png 003_20081220183836.png

○汎用フォトカプラ(PC817C等)の利点
異なるGNDレベル間でI2C その2その4では、デジタル出力型の高速フォトカプラTLP552を使って高速化することを考えました。
しかし、TLP552のような、汎用とはいえない部品は少しばかり高価で、販売している店も限られます。千石電商では220円です。
一方で、汎用フォトカプラであるPC817Cは、秋月で8個入り100円で、代替品としては、TLP621-1が秋月で5個入り100円TLP521-1が千石で1個40円と選択肢がたくさんあります。

また、TLP552は電源電圧範囲が4.5V~5.5Vと5V系でしか使えないという欠点もあります。

○汎用フォトカプラの高速化
異なるGNDレベル間でI2C その3コメント欄にて、pcm1723さんに汎用フォトカプラを高速化する方法を教えていただきました。この方法はそのまま、異なるGNDレベル間でI2C その1の回路に適用することができます。

○絶縁双方向インターフェースへの応用

001_20081220183805.png
fig.1: カレントミラー出力型絶縁双方向インターフェース回路


以前までSBDを使っていた部分は、せっかくのカレントミラーだったので出力系統を増やすことで代えてみました。この変更のおかげで、SBDのVf分の電圧がGNDから浮く問題も同時に解決されました。

○10kHzでのLTspiceシミュレーション
カレントミラー出力型のLTspiceシミュレーションの結果を以下に示します。入力クロックは10kHzとしました。


002_20081220183829.png
fig.2: 10kHzのスケマティック

003_20081220183836.png
fig.3: 10kHzのグラフ


○100kHzでのLTspiceシミュレーション
同様に100kHzでのシミュレーションの結果です。


004_20081220183842.png
fig.4: 100kHzのスケマティック

005_20081220183847.png
fig.5: 100kHzのグラフ


○付録
このエントリで使用したLTspiceのシミュレーション用ファイルを添付します。ファイル名末尾の".txt"を削除して、"_"を"."に変更すれば使えるはずです。


tag: LTspice インターフェース I2C 絶縁 フォトカプラ PC817C TLP621 カレントミラー ISO-I2C 

異なるGNDレベル間でI2C その4

絶縁双方向インターフェースの高速化として、I2C高速モードである400kHzでの通信を目標として、異なるGNDレベル間でI2C その1その2その3と続けて、設計・試作を行ってきました。
今回は、その2で設計したTLP552を用いた高速版回路の試作を行い、400kHzまでの動作を確認しました。

002_20081207205817.jpg 003_20081207205822.png 006_20081207205840.png




低速版の問題点


異なるGNDレベル間でI2C その3では、その1で設計した汎用フォトカプラを用いた低速版双方向絶縁インターフェース回路をブレッドボード上に試作し、その特性を測定しました。
その結果、シミュレーションから得られたものよりも性能で劣るため、実用は難しいだろうということが分かりました。
この低速版回路の問題点は以下の二つです。


  • 立ち上がりの遅さ

  • フォトトランジスタのドライブの力不足



信号の立ち上がりの遅さは、その1のシミュレーションから明らかでした。そして、この問題に対する解答が高速フォトカプラTLP552を用いるというものでした。詳しくは、その2を参照してください。

一方TLP552のドライブ能力は、出力電流Io=50mAと十分です。以下の絶対最大定格の表はTLP552のデータシートからの引用です。


001_20081207205808.png
fig.1: TLP552の絶対最大定格


測定


試作した回路の外観をfig.2に示します。fig.3が回路図です。


002_20081207205817.jpg
fig.2: 高速版絶縁双方向インターフェース試験回路

003_20081207205822.png
fig.3: 回路図


クロック周波数は、約100kHzと約400kHzを試しました。
電源は、両側で共通とし電源電圧は5Vです。電源装置には、安物のスイッチング電源を使いました。
測定にはPDS5022Sを用いました。

100kHz


以下に約100kHzの時の波形を示します。赤のラインが送信側の波形で、橙のラインが受信側です。
100kHzはI2C低速モードのクロックに相当します。


004_20081207205828.png
fig.4

005_20081207205834.png
fig.5


立ち上がりに多少のなまりが見られるのと、受信側の"L"レベル出力の電圧が1SS108のVf分高くなっていますが、かなり綺麗な波形です。

400kHz


次に約400kHzの時の波形を示します。同様に赤のラインが送信側、橙が受信側です。
400kHzはI2C高速モードのクロックに相当します。


006_20081207205840.png
fig.6

007_20081207205846.png
fig.7


なまりと送受信間の遅延が見られますが、実用レベルだと思います。

参考文献/使用機器



tag: I2C 絶縁 フォトカプラ TLP552 インターフェース ISO-I2C ブレッドボード 

異なるGNDレベル間でI2C その3

異なるGNDレベル間でI2C その1で考えた低速版の回路をブレッドボード上で試作し、性能を測定しました。その結果、10kHzでもシミュレータから得られた結果よりも性能が劣り、実用は難しそうだということが分かりました。
実用を考えると、異なるGNDレベル間でI2C その2の高速版のほうがよいと思います。

今回は、低速版の実測結果について書きます。

001_20081206032741.png 002_20081206032748.png

異なるGNDレベル間でI2C その1では、I2Cなどの双方向シリアル通信を、絶縁された回路間で行うためのアイソレータを汎用フォトカプラを使って実現する方法を考えました。LTspiceによるシミュレーション結果によると、送信クロックが10kHz程度までなら、波形がなまるながらも動作するという結果が得られました。
今回は汎用フォトカプラPC817Cを用いた低速版の回路に関して、ブレッドボード上で試作したものの特性を測定しました。

回路



001_20081206032741.png
fig.1: 低速版試験回路


試験回路は、異なるGNDレベル間でI2C その1でシミュレーションした回路を基本に一部パラメータを変更しました。
送信クロック源は、LMC555を用いた50%デューティー・サイクル・オシレータとしました。発振周波数は約10kHzです。

測定条件


波形・周波数測定にはPDS5022Sを用いました。
電源は送信側・受信側を共通にし、電源電圧は5Vとしました。電源装置は安物のスイッチング電源です。

結果



002_20081206032748.png
fig.2: 赤が送信側,橙が受信側の波形

003_20081206032819.png
fig.3: 11.1kHz,4.9Vpp


fig.2,3がオシロスコープで測定した波形です。赤のラインが送信側、橙のラインが受信側です。

考察・その他



001_20081115162753.png
fig.4: シミュレーションした回路

002_20081115162815.png
fig.5: シミュレーション結果の波形


異なるGNDレベル間でI2C その1でのシミュレーション結果をfig.4,5に示します。今回実測した波形は、シミュレーションよりはるかになまっています。このシミュレーション時の回路と実測した回路の抵抗R2,R3の値が異なっているのは、実測する際に波形が一番まともに見えるようにパラメータを調節した結果です。

R2,R3の値を大きくするほど、受信波形の立ち上がりが早くなるという点で有利です。その一方で、受信側の"L"レベルの電圧が上がります。これはフォトトランジスタのドライブ能力に起因するものだと考えられます。

今回実際に製作したほうのパラメータでもシミュレーションをしました。

004_20081206032825.png
fig.6: 実測した回路

005_20081206032830.png
fig.7: シミュレーション結果


PC817Cの代わりに、手元にあったTLP521でも実測してみましたが、傾向はほぼ同じでした。
抵抗のパラメータを変更することや、フォトカプラを選別することでより高周波で動作させることができないかとも思いましたが、望みは薄そうです。やはり、TLP552を用いた高速版の方が現実的なようです。

参考文献/使用機器



tag: I2C 絶縁 フォトカプラ PC817C TLP521 インターフェース  ISO-I2C ブレッドボード 

FC2カウンター
カテゴリ
ユーザータグ

LTspiceAkaiKKRmachikaneyamaScilabKKRPSoCOPアンプCPA強磁性PICモンテカルロ解析常微分方程式odeトランジスタecalj状態密度DOSインターフェース定電流スイッチング回路PDS5022半導体シェルスクリプト乱数レベルシフトHP6632A温度解析分散関係I2Cトランジスタ技術R6452A可変抵抗ブレッドボードセミナーバンドギャップ数値積分確率論反強磁性偏微分方程式バンド構造絶縁熱設計非線形方程式ソルバフォトカプラシュミットトリガLEDLM358カオスISO-I2C三端子レギュレータGW近似A/Dコンバータカレントミラーアナログスイッチ数値微分マフィンティン半径TL431発振回路サーボPC817CUSB直流動作点解析74HC4053補間FFTBSch開発環境パラメトリック解析2ちゃんねるチョッパアンプ量子力学bzqlty電子負荷イジング模型LDA標準ロジックアセンブラ基本並進ベクトルブラべ格子単振り子熱伝導位相図TLP621キュリー温度繰り返し状態方程式MaximaVESTAスイッチト・キャパシタ相対論FETランダムウォークスピン軌道相互作用SMP六方最密充填構造抵抗不規則合金ewidthスレーターポーリング曲線GGAラプラス方程式cygwingfortranQSGW失敗談コバルト条件分岐TLP521テスタLM555Writer509TLP552格子比熱マントルデータロガー自動計測詰め回路ガイガー管ダイヤモンドQNAPMCUFXA-7020ZR過渡解析三角波UPSNE555固有値問題熱力学ブラウン運動フェルミ面awk起電力第一原理計算OpenMPfsolveubuntu最大値xcrysden最小値最適化仮想結晶近似VCA差し込みグラフスーパーセル井戸型ポテンシャル平均場近似シュレディンガー方程式FSMフラクタルOPA2277固定スピンモーメント2SC1815全エネルギー合金multiplotgnuplotc/aTeX結晶磁気異方性interp1ウィグナーザイツ胞初期値マンデルブロ集合疎行列面心立方構造fcc不純物問題非線型方程式ソルバフィルタL10構造PGA半金属二相共存SICZnOウルツ鉱構造BaO重積分クーロン散乱磁気モーメント電荷密度三次元CIF岩塩構造CapSenseノコギリ波デバイ模型ハーフメタル正規分布フォノンquantumESPRESSOルチル構造スワップ領域リジッドバンド模型edelt縮退キーボード軸ラベルグラフの分割凡例トラックボールPC不規則局所モーメント片対数グラフトランス両対数グラフCK1026MAS830L直流解析Excel円周率パラメータ・モデルヒストグラム日本語最小二乗法等価回路モデルGimp線種シンボルTS-110TS-112PIC16F785LMC662化学反応文字列specx.f入出力ifortマテリアルデザインヒストグラム確率論Realforce等高線ジバニャン方程式P-10Ubuntuナイキスト線図Crank-Nicolson法陰解法熱拡散方程式HiLAPWAACircuit連立一次方程式負帰還安定性境界条件EAGLEMBE関数フィッティング

最新コメント
リンク

にほんブログ村 その他趣味ブログ 電子工作へ