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




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tag: LTspice OPアンプ 絶縁 PC817C TLP621 

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1

I2Cに限った話ではありませんが、汎用部品で構成できる双方向絶縁インターフェースを考えてみました。
絶縁には汎用フォトカプラ(TLP621PC817C)を使います。


○絶縁双方向インターフェース
異なる電圧レベル間でI2Cその2では、単線で双方向通信をするときに、簡単なレベル変換回路を構成する方法を書きました。
今回は、単線での双方向通信のときに、汎用部品で絶縁インターフェースを構成する方法を書きます。

○動作説明
以下が今回考えた回路です。異なる電位の基準電圧であるGND,GND-2の電源として、それぞれVCC,VCC-2が対応します。


001_20081106233820.png


左右対称の形になっているので、左側が送信動作、右側が受信動作をしているときを例に解説します。
まず送信側が、"H"を出力しているときPC1の受光側はOFFとなっているので、回路の受信側はR4でプルアップされ"H"レベルとなります。

次に送信側が"L"を出力した場合、PC1の受光側がONし、PC1の4番端子がGND-2レベルとなります。すると、「R4→D2→PC1の4番端子」の経路で電流が流れ、受信側が"L"レベルになります。
ただし、このときの受信側の電圧はV(GND-2)+Vfとなるので、D2には順方向電圧(Vf)の小さいショットキーバリアダイオードを使います。

また、"L"レベルのときのPC1の4番端子には、R3からの電流も流れ込みます。したがって、使用する汎用フォトカプラはCurrent transfer ratio(CTR)が100%よりも大きい必要があります。

○回路シミュレーション
以下に、LTspiceを用いたシミュレーション結果を示します。1ss108のSPICEモデルは、数理研究所SPICE MODEL LIBRARYの物を利用させていただきました。


002_20081106233829.png

003_20081106233835.png



グラフの緑のラインが送信側、青のラインが受信側です。送信クロックは100kHz10kHzですが、多少波形がなまっています。
あまり高速な通信は期待できないでしょう。

○付録
このエントリで使用した、LTspiceシミュレーション用スケマティックを載せておきます。

isolated-i2c.asc
Version 4
SHEET 1 1152 692
WIRE -16 -160 -32 -160
WIRE 816 -160 800 -160
WIRE -32 -128 -32 -160
WIRE 800 -128 800 -160
WIRE -32 -16 -32 -48
WIRE 48 -16 -32 -16
WIRE 320 -16 48 -16
WIRE 720 -16 432 -16
WIRE 800 -16 800 -48
WIRE 800 -16 720 -16
WIRE -176 16 -192 16
WIRE 960 16 944 16
WIRE -192 48 -192 16
WIRE -32 48 -32 -16
WIRE 800 48 800 -16
WIRE 960 48 960 16
WIRE 48 64 48 -16
WIRE 80 64 48 64
WIRE 320 64 432 -16
WIRE 320 64 272 64
WIRE 432 64 320 -16
WIRE 480 64 432 64
WIRE 720 64 720 -16
WIRE 720 64 672 64
WIRE -192 160 -192 128
WIRE -144 160 -192 160
WIRE -32 160 -32 112
WIRE -32 160 -144 160
WIRE 80 160 -32 160
WIRE 304 160 272 160
WIRE 480 160 448 160
WIRE 800 160 800 112
WIRE 800 160 672 160
WIRE 928 160 800 160
WIRE 960 160 960 128
WIRE 960 160 928 160
WIRE 304 192 304 160
WIRE 448 192 448 160
WIRE -192 256 -192 160
WIRE -48 272 -144 272
WIRE 544 272 528 272
WIRE -48 288 -48 272
WIRE 528 288 528 272
WIRE -128 320 -144 320
WIRE -192 352 -192 336
WIRE -128 352 -128 320
WIRE -128 352 -192 352
WIRE -192 368 -192 352
FLAG -32 -160 VCC
FLAG 800 -160 VCC
FLAG -192 16 VCC
FLAG 960 16 VCC
FLAG 528 272 VCC
FLAG 528 368 0
FLAG -48 368 0
FLAG -144 160 TX
FLAG 928 160 RX
FLAG -192 368 0
FLAG 304 192 0
FLAG 448 192 0
FLAG -48 272 DAT
SYMBOL res -208 32 R0
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 10k
SYMBOL res -48 -144 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 330
SYMBOL res 784 -144 R0
SYMATTR InstName R3
SYMATTR Value 330
SYMBOL res 944 32 R0
SYMATTR InstName R4
SYMATTR Value 10k
SYMBOL voltage 528 272 R0
WINDOW 123 0 0 Left 0
WINDOW 39 0 0 Left 0
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value 5V
SYMBOL voltage -48 272 R0
WINDOW 123 0 0 Left 0
WINDOW 39 0 0 Left 0
SYMATTR InstName V2
SYMATTR Value PULSE(5V 0V 25us 1us 1us 49us 100us)
SYMBOL Optos\\PC817C 176 112 R0
SYMATTR InstName U1
SYMBOL Optos\\PC817C 576 112 M0
SYMATTR InstName U2
SYMBOL sw -192 352 R180
SYMATTR InstName S1
SYMBOL diode -16 112 R180
WINDOW 0 24 72 Left 0
WINDOW 3 24 0 Left 0
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value 1ss108
SYMBOL diode 816 112 R180
WINDOW 0 24 72 Left 0
WINDOW 3 24 0 Left 0
SYMATTR InstName D2
SYMATTR Value 1ss108
TEXT -296 424 Left 0 !.tran 0 100us 0
TEXT -296 456 Left 0 !.model SW SW(Ron=1m Vt=2.5 Vh=0)
TEXT 56 344 Left 0 ;10kHz
TEXT -296 488 Left 0 !.model 1ss108 D(IS=4.86E-5 N=2.105 RS=58.7 CJO=1.62pf VJ=2.267 M=0.2857 TT=.1ns BV=60 IBV=100E-15)

tag: I2C 絶縁 フォトカプラ TLP621 PC817C インターフェース ISO-I2C 

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LTspiceAkaiKKRmachikaneyamaScilabKKRPSoCOPアンプCPAPIC強磁性モンテカルロ解析常微分方程式トランジスタode状態密度インターフェースecalj定電流スイッチング回路PDS5022DOS半導体乱数シェルスクリプトレベルシフトHP6632Aブレッドボード分散関係温度解析トランジスタ技術R6452A可変抵抗I2Cセミナー確率論反強磁性非線形方程式ソルバ絶縁偏微分方程式バンド構造熱設計数値積分バンドギャップカオスA/DコンバータフォトカプラシュミットトリガGW近似LEDLM358ISO-I2C三端子レギュレータ数値微分サーボ直流動作点解析カレントミラーマフィンティン半径TL431PC817C発振回路74HC4053USBアナログスイッチbzqltyFFTチョッパアンプ2ちゃんねる補間量子力学開発環境電子負荷標準ロジックパラメトリック解析アセンブラ基本並進ベクトルブラべ格子単振り子BSchLDAイジング模型繰り返しMaximaキュリー温度位相図状態方程式失敗談スピン軌道相互作用六方最密充填構造相対論FET抵抗コバルト不規則合金TLP621ewidthGGAQSGWgfortranランダムウォークラプラス方程式スイッチト・キャパシタcygwin熱伝導SMPスレーターポーリング曲線三角波格子比熱LM555条件分岐TLP552MCUNE555UPSTLP521QNAPマントルテスタFXA-7020ZR過渡解析詰め回路ガイガー管ダイヤモンド自動計測Writer509データロガー固有値問題VESTAスーパーセルOpenMP差し込みグラフ平均場近似起電力awk仮想結晶近似VCAubuntufsolveブラウン運動熱力学第一原理計算井戸型ポテンシャルシュレディンガー方程式面心立方構造fccウィグナーザイツ胞interp12SC1815L10構造非線型方程式ソルバFSMキーボードTeX結晶磁気異方性初期値OPA2277化学反応等高線ジバニャン方程式ヒストグラム確率論三次元フィルタRealforcePGAフェルミ面正規分布固定スピンモーメント全エネルギースワップ領域リジッドバンド模型edeltquantumESPRESSOルチル構造岩塩構造二相共存ZnOウルツ鉱構造BaOフォノンデバイ模型multiplotgnuplotc/aノコギリ波合金クーロン散乱ハーフメタル半金属CapSenseマンデルブロ集合マテリアルデザインSICGimpCK1026MAS830L円周率トランスPIC16F785凡例線種シンボルLMC662ヒストグラム不規則局所モーメント文字列疎行列TS-110TS-112Excel直流解析等価回路モデル入出力トラックボールPC軸ラベルAACircuitP-10フラクタル境界条件連立一次方程式Ubuntuifortパラメータ・モデルspecx.f関数フィッティング最小二乗法Crank-Nicolson法陰解法日本語EAGLEMBEグラフの分割負帰還安定性ナイキスト線図熱拡散方程式HiLAPW両対数グラフ片対数グラフ縮退

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