Analog Design Journal

4mA～20mA ループ電源トランスミッタの設計
Ahmed Noeman
System Engineer
SEM FAC, Freising

はじめに4mA～20mA トランスミッタの基本

プロセス制御システムでは、センサ トランスミッタは圧力や温4mA～20mA トランスミッタは、電力とワイヤの数 (4 線、3度のほか、流量やレベルなどのデータを照合し、その情報を線、2 線) で分類されます。この記事では、2 線式タイプに焦プログラマブル ロジック コントローラ (PLC) または分散制御点を当てます。

システムに伝達します。

図 1 に示す 2 線式フィールド トランスミッタでは、フィールド電

このようなトランスミッタはコントローラへのデータ送信を、源とアナログ入力モジュールに接続することで電流ループが4mA～20mA の信号に依存しています。IO-Link や Profibus形成されています。フィールド トランスミッタの最初のサブシスなどの標準規格があるものの、4mA～20mA は、長距離伝

テムはセンス サブシステムで、物理センサに接続し、その出送での耐障害性、信頼性、ノイズ耐性、あらゆる PLC システ

力をコンディショニングし、信号をデジタル コードに変換して、ムとの互換性が高いです。

線形化やキャリブレーションなどの処理を行います。2 番目のこの記事では、4mA～20mA トランスミッタの構造、その動作サブシステムは送信サブシステムで、ループから電力を取り原理、カタログ半導体製品を使用してこのタイプのトランスミッ出してトランスミッタに電力を供給し、デジタル信号をアナログタを実装するための設計上の選択肢についての概要を説明

信号に変換してプロセス データを送信し、ループ電流を制御します。

します。トランスミッタは、ループ内の電流をレギュレートして信号を送信し、電圧制御電流源として機能します。
24V

Loop+

power

I LoopSensor

ADC

uC

DAC

Rshunt

Loop-

Sense
signal conditioning
convert & process

Field
SupplyTransmit
current regulation
power and protect
ADC
Analoginput
Module2-wire 4-to 20mA
sensor transmitter

図 1. 汎用 2 線式 4mA～20mA センサ トランスミッタ

図 2 では、N チャネル P チャネル N チャネル (NPN) トランジ

D/A コンバータ (DAC) で駆動されるアンプを通して制御されスタが電源を供給して電流をレギュレートし、そのベースはます。広い入力電圧範囲に対応する低ドロップアウト (LDO)

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レギュレータは、ループ電圧をトランスミッタの電源レベルに• 低コスト降圧することで、さまざまな部品に電力を供給します。DAC設計に関する性能指標に内蔵のリファレンスがない場合は電圧リファレンスを使用でトランスミッタには評価が必要な性能指標がいくつかありまきますが、HART (Highway Addressable Remoteす。

Transducer) 対応のトランスミッタには HART モデムが必要

ループ コンプライアンス電圧は、トランスミッタが機能するルです。

ープ電圧の範囲です。主に LDO の制限値によって決定さREFLDOれ、保護デバイスを含むループ内の直列素子の影響を受けます。代表的なループ コンプライアンス電圧範囲は 12V～36V です。
分解能は、トランスミッタが生成できる個別の電流出力値の数で、DAC ネイティブ分解能に直接リンクしています。市販のDAC

4mA～20mA トランスミッタの分解能は 12 ビット～16 ビットです。
R1

直線性誤差の大部分は DAC の積分非直線性によって決定されます。これは、全出力範囲にわたる最大誤差 (最下位ビッHARTmodem

ト [LSBs]) です。

Rsenseノイズは、出力ノイズ電流の 2 乗平均平方根 (RMS) で測定されます。このノイズによって出力レベルの一部が識別できな
図 2. 2 線式 4mA～20mA トランスミッタの回路くなり、有効分解能が低下する可能性があります。ここで指す有効分解能とは、ノイズ性能の指標を意味します。16 ビット

動作原理は非常にシンプルで、オペアンプの両方の入力を仮分解能のシステムの場合、信号帯域幅に応じて、13 ビット～想ローカル グランドに保持します。R1 が保持する電圧は、15 ビットの有効分解能が期待されます。

Rsense も同様に保持します。適切なスケーリングにより、
Rsense は R1 電流のスケーリングされたバージョンを伝達し精度は、理想的な電流値から電流出力がどれだけ逸脱してます。Rsense 電流がフィールド トランスミッタのほぼ全電流いるかを測定するものです。オフセット誤差、ゲイン誤差、非であることを考慮すると (図 2 に示されていないセンス部分を直線性誤差の RMS 合計と、これらの値の温度ドリフトが含ま含めて)、DAC 出力はトランスミッタ全体の電流を制御していれます。未調整誤差の合計は、不正確さのレベルを示しまます。NPN トランジスタとアンプ ループは、必要な出力電流す。

を得るために、トランスミッタ自体が使用する電流を補完する

動的性能には、信号帯域幅とトランスミッタの安定性が含まために必要な電流をバイパスします。

れます。帯域幅とは、ループ上で伝送できる電流信号の最大4mA～20mA トランスミッタの設計

帯域幅を指します。この帯域幅は、DAC のセトリング タイム、アンプ回路の帯域幅、バイパス トランジスタのトランスコンダ4mA～20mA トランスミッタの設計に関する考慮事項は以下クタンスによって決定されます。デジェネレーション抵抗を使のとおりです。

用することで、トランジスタのトランスコンダクタンス (gm) の変• 低消費電力動作動に依存しなくなります。多くの場合、アンプ回路も外部で補• 小型フットプリント償されます。安定性は、ループの帯域幅と補償コンデンサの• 産業用温度範囲全体にわたる高精度と低ノイズ値に関係します。ループの重要なノードの容量を減らすことで、安定性が確保されます。ループの安定性とその要件に関• HART プロトコルのサポート

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する詳細な分析については、『DAC161S997 データシート』を

この設計はシンプルで、いくつかの外付け部品を使用してル参照してください。HART 対応のトランスミッタの場合、外付けープの安定性を確保し、突入電流を制限しています。この方部品で帯域幅を狭くすると、HART 信号との干渉を防止でき法における最大動作温度は 105℃です。

ます。

LOOP+

LDO

回路保護は、ループの逆極性やサージなどの異常な状態かVD

らトランスミッタを保護します。逆極性はダイオードによってブロックされます。トランスミッタを逆極性で動作させる場合は、

VA
Internal
Reference

SCLK
SDI

IN

SensorSPI

図 3 に示すように整流ブリッジを使用します。サージ保護に

16SPI

SDO+

 DAC+IDAC

–BASE

µC

COMD

CSB

LOOP
RECEIVER

VD

は、過渡電圧サプレッサ ダイオード (TVS3301 など) と、高電COMA
80k
INT

圧イベント時の電流を制限する受動素子が必要です。これら

LOOP
SUPPLY

0-24mA Loop

ERRB

GND

40

DAC161S997
OUT
NC

C1C2C3LOOP-ERRLVLの保護素子は、動作中にある程度の余裕が必要となり、最小コンプライアンス電圧が高くなります。

HART Modulator

図 4. 2 線式 4mA～20mA トランスミッタ、DAC161S997 の場合

Loop+

ループ トランスミッタ デバイス
別の実装では、 DAC8551 などの低消費電力 DAC を使用

TVSし、続けて LDO、電圧リファレンス、出力アンプを内蔵した
XTR115 などの専用ループ トランスミッタを使用します。この
方法はノイズを最小限に抑え、ゲイン誤差は 1% 未満です。

Loop-

図 3. 2 線式トランスミッタの代表的な保護セクション

XTR115 の動作温度は 85℃に制限されており、内蔵されたLDO の最大入力は 36V です。他の選択肢として、XTR117

トランスミッタ回路の実装は小型パッケージで、より少ない静止電流を消費し、最高

図 2 に示すブロック図を実装する際の違いは、統合アプロー

125℃で動作します。XTR117 に内蔵されている LDO は、最チにあります。バイパス トランジスタは、より優れた熱管理を

大 40V まで動作します。TXR117 には電圧リファレンスが内可能にするため、常にディスクリート部品となっています。以

蔵されていないため、外部リファレンスが必要な場合は、図 5下の実装はすべて、DAC8740H などの HART モデムを追加に示すように、LDO、DAC、電圧リファレンスで構成される 3することで、HART プロトコルをサポートできます。

デバイス ソリューションとなります。

専用ループ コンバータ
XTR117VREG

REF3525

一つの方法としては、電圧リファレンスと出力アンプが内蔵さV+5V
Regulator

87B
6れた、『DAC161S997 データシート』のような DAC を使用すRINることがあります。このソリューションは、図 4 に示すように、

DAC8551

Q1IIN
20.01µF

A1D1E

DAC、広い入力電圧範囲の LDO、NPN トランジスタで構成さRLIMれます。この実装の消費電流は 130µA で、キャリブレーショIRET3ンなしで優れた精度が得られます。DAC161S997 は、低電5IO = 100VIN

R12.475k

R225k

RIN
4源または大電流負荷の場合に電流ループ エラーを検出する

図 5. 2 線式 4mA～20mA トランスミッタ、XTR117 の場合ための診断機能を備えており、4mA 未満のエラー低電流を信号出力します。

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MCU 内蔵 DAC

PWM ベース DAC

コストを重視するアプリケーションでは、アナログ リソースを備MCU (内蔵 DAC なし) を使用するより一般的な方法は、パルえた MCU を使用することができます。MSPM0G MCU によス幅変調 (PWM) に基づいて DAC 出力を生成することです。

り、内蔵された 12 ビット DAC、内部リファレンス、出力アンプ

シンプルな PWM DAC の分解能は 10 ビット～12 ビットでを含むトランスミッタ段の実装が可能です。図 6 に示すようす。ただし、2 パス PWM やアクティブ リップル抑制などのよに、必要な外部デバイスは LDO だけです。MCU のデジタルり高度な手法を使用すれば、16 ビット分解能の DAC を実現プロセスにアナログ機能を実装しているため、専用のアナロすることもできます。

グ デバイスに比べて消費電力が比較的大きくなります。この高い有効分解能を達成するため、PWM 信号は電圧リファレ

方法は、極めて低コストで 11 ビットの有効分解能を必要とす

ンス電源のロジック ゲートを使用してバッファリングされます。

るアプリケーションに適しています。VREF– ピンをグランドのループ電流へのデジタル ノイズ注入を避けるため、MCU に代わりに内部リファレンスの負のピンとして使用することで、は適切なバイパス処理が必要です。図 7 に示す実装は、低性能を向上させることができます。VREF– ピンを分離すると、消費電力で、温度範囲全体で安定しており、極めて低コストでデジタル ノイズがアナログ リファレンスから分離されます。

13 ビットを超える有効分解能を実現します。

VREFVDD 3.3V

MSPM0G
integrated analog
VDD

TPS7B69-Q1

VIN

VREF

R19

R3

M0
DAC12R5Q1

R16GPAMP

R12R20

図 6. 2 線式 4mA～20mA トランスミッタ、MSPM0G の場合
D2
VSUP=3V

RH

PWMH

LDO

REF3330

TPS7A1601-Q1

Current
limiter

R19Loop
Current

Rf

1RL

2PWML

RH

Rf

V1Cs

V2

R3
R5
Q1

TVS3300

RLCf

D1

Loop Supply

MSPM0

REF

R16SN74LVC2G240

PWM scaling &Ripple suppression

2ndorder LPF

OPA2333R12R14HART inILoop

R20C5Voltage to Loop Current
ConverterD3

図 7. 2 線式 4mA～20mA トランスミッタ、PWM DAC の場合

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スタンドアローンの低消費電力 DACで、低電圧のデジタル動作を可能にし、MCU 入出力側の電力をさらに低減するだけでなく、電磁放射を低減します。

図 8 に示す AFE88101 のような 4mA～20 mA トランスミッタ

U31.8Vを実現するために、スタンドアロンの低消費電力 DAC を使用

Q1
TPS7A1601

すると、最高の分解能と直線性性能が得られます。さらに消D65.1V

REF35125

費電力を低減するには、REF35125 のような低消費電力のU4

電圧リファレンスを使用すると電流を 180µA まで抑えることR3ができます。また、AFE88101 は、12 ビット ADC や定義済み
AFE88101

D1Q2のフェイルセーフ モードなどの広範な診断機能を備えていま
OPA391U2す。

R4U1R1R2AFE881H1 は AFE88101 とピン互換性があり、HART モデムが内蔵されたコンパクトな HART 対応トランスミッタです。

図 8. 2 線式 4mA～20mA トランスミッタ、AFE88101 の場合

AFE881H1 は、HART 対応時に低消費電流を実現します。
HART モデムは通常、動作中に 10µA を消費するため、低消DAC8311 DAC、LDO、外部低消費電力リファレンスを搭載し費電力の HART 対応トランスミッタに適したデバイスです。

た低コスト版は、130µA の電流で動作しながら妥当な性能をAFE88101 のもう一つの特長は、1.8V ロジックとの互換性達成します。

各種実装の比較
各種実装、推奨部品表 (BOM)、期待される性能を、表 1 と 表 2 に示します。性能の数値は、限定的な測定によるものです。
MSPM0 DAC12M0 を使用した PWM
REF

REF

XTR117
LDO

REF

LDO

LDO

DAC

DAC

MSPM0G

XTR117HART
modem

HART
modem

HART
modem

PWM (M0) +FLTBOM

MSPM0G、TPS7B69、DAC8740H

TPS7A1601、REF3330、TLV2333、DAC8740H

XTR117、DAC8551A、REF3525

コンプライアンス (電圧)406040分解能 (ビット)121616

直線性 (LSB)

2<68

有効分解能 (ビット)1113.414

精度

1% フルスケール、6uA

1% フルスケール、6uA

0.7% フルスケール、20uA

電流 (μA)

425240440

温度 (℃)

125

125105利点

低コスト

低コスト、高分解能、低消費電力

高解像度

表 1. 4mA～20mA トランスミッタの設計オプション、推奨 BOM および性能 (MSPM0 DAC12、M0 を使用した PWM、XTR117)

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DAC161S997

DAC8311

AFE881H1

REF
REF

LDO
REF

LDO

LDO
AFE881H1

DAC161S997
DAC
DAC

DAC
DAC8311

HART
modem

HART
modem

BOM (部品表)

DAC161S997、TPS7A1601、DAC8740H (1)DAC8311、REF3525、OPA391、TPS7B69、DAC8740H

AFE88101 (1)、REF35125、OPA391、TPS7A1601

コンプライアンス (電圧)

60V

4060

分解能（ビット）

161416

直線性 (LSB)544

有効分解能 (ビット)

13.4

13.4

16

精度

0.01%、1uA

0.15%

0.07%

電流 (μA)

130130180 (内部リファレンス使用時 240)

温度 (℃)

105125125

コンプライアンス (電圧)

超低消費電力、高分解能、高精度

超低消費電力、低コスト

高分解能と高精度、低消費電力、低電圧

表 2. 4mA～20mA トランスミッタの設計オプション、推奨 BOM および性能 (DAC161S997、DAC8311、AFE881H1)(1)

DAC8740 の最大パワーダウン電流は 180µA で、水晶発振器を使用してアクティブな場合は約 300µA です。ただし、AFE881H1 HART モデムの平均消費電力は 10µA です。HART 対応の場合、該当する電流を追加してください。

まとめ• 最もコストを抑えたい場合は、MSPM0G の実装を選択してください。その性能が満足のいくものではない場合、次この選択プロセスにより、4mA～20mA トランスミッタを設計する際に正しい実装を決定することができます。
• 安全システムを構築し、最も高い精度で最も低いノイズ性能を必要とする場合や、200µA 未満の消費電力で HART対応トランスミッタを使用したい場合、AFE88101 とAFE881H1 が最初の選択肢になります。
• DAC161S997 の実装では、可能な限り低い消費電力とフのコスト最適化ソリューションは PWM ソリューションになります。

関連ウェブサイト• 『4～20mA 電流ループ トランスミッタ、リファレンス デザイン』• 『FSK モジュレーション付き、シングル電流ループを使用ットプリントが提供され、次いで DAC8311 の実装が続きするデュアル センサ測定、リファレンス デザイン』ます。消費電力より性能を優先する場合は XTR117 の実• 『2 線式、4～20mA トランスミッタ、EMC/EMI テスト済

装が適しています。

み、リファレンス デザイン』• 『フィールド トランスミッタ向け高性能 16 ビット PWM から4～20mA DAC』
• 『フィールド トランスミッタ向け高性能 PWM DAC の設計』
• 『AFE881H1 を使用した超低消費電力、低電圧、2 線式、4～20mA ループ トランスミッタ』• 『HART モデム搭載、高精度、ループ電源、4mA～20mA
フィールド トランスミッタ、リファレンス デザイン』

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