SAR vs ΔΣ どちらのA-Dコンバータを選ぶか：Baker's Best

デルタシグマ（ΔΣ）型A-Dコンバータと、逐次比較レジスタ（SAR）型A-Dコンバータ、どちらのデバイスを選ぶべきかを検討していく。

[Bonnie Baker，EDN]

　ΔΣA-Dコンバータの技術は、サンプリング周波数に関しては、SAR（successive approximation register：逐次比較レジスタ型）A-Dコンバータに追いついた。約100kHzから1MHzのサンプリング周波数領域では、どちらのコンバータも共存する。これら2種類のコンバータの主な仕様は、ほぼ同等である。設計中の回路において、オフセット電圧とゲインエラーの直流特性が問題である場合でも、ノイズやTHD（全高調波歪）などの交流特性が問題な場合でも、SAR A-Dコンバータと高速ΔΣA-Dコンバータは、直流/交流特性において、ほぼ同じ性能を持つ。

　では、対象とするアプリケーションの回路においてどちらのデバイスを選択するべきか？ それを決定するには、2つのデバイスの動作を比較する必要がある。A-D変換レイテンシとは、A-Dコンバータが1つのサンプルから次のサンプルへと移るのに要する時間で、その間にデータを取得する時間も含む。SAR A-Dコンバータのレイテンシは、一瞬の信号を取得し、次の信号を取得するまでの時間である。一方でΔΣA-Dコンバータでは、変換信号が時間軸上の単一の点に対応しないため、出力コードの遅延が大きい。ΔΣA-Dコンバータは、あらかじめ定められた期間の入力を即座に平均化し、より高速にデジタルコードを出力する（図1）。半面、ΔΣA-Dコンバータの方がクロックレートが速いため、消費電力が高い。

　SAR A-Dコンバータを使用する場合によくがっかりさせられることは、直流入力信号に対して出力コードが大きく異なる点である。問題は通常、コンバータではなく、アプリケーション回路の実装方法にある。SAR A-Dコンバータは、入力帯域幅が大きく、信号の変化に反応しやすい。変換ごとにサンプルを1つ取るというアーキテクチャにより、信号と共にそのノイズをも取得する。ノイズの多い環境でこの種のコンバータを使用するには、高次の偽信号フィルタが必要となる。偽信号フィルタを追加すると、ノイズの問題を解決することができるが、コンバータ全体のセトリング時間は増えてしまう。システムのセトリング時間は、多重システムのアプリケーションにおいては重要である。

　一方、ΔΣA-Dコンバータは、より高速なデータレートで取得した複数のサンプルを平均し、それをそれぞれの変換結果とする。コンバータ内のデジタルフィルタが、偽信号フィルタとして機能するため、外部にはアナログ入力に2次のローパスフィルタを加えるだけでよい。ΔΣA-Dコンバータは、内部にあるデジタルフィルタリングシステムで、信号ノイズを容易に扱うことができる。しかし、ΔΣA-Dコンバータの入力にステップ入力を印加すると、こちらもセトリングに時間がかかることになる。オンチップのデジタルフィルタは、補充、再セトリングに時間を要する。

　どちらのコンバータもさらに利点がある。SAR A-Dコンバータは、マルチプレクサまたはPGA（programmable gain amplifier）を入力に内蔵することができる。マルチプレクサやPGAを持つΔΣA-Dコンバータも存在するが、それらには入力バッファやセンサー故障検出電流源をつけたり、SAR A-Dコンバータよりも高次の回路を必要としたりすることが多い。

　用途としては、SAR A-Dコンバータは、高速制御ループやマルチチャネルデータ取得システムなどの、高速応答と低いレイテンシが要求されるアプリケーションに適している。ΔΣA-Dコンバータは、測長機やオーディオシステムなど、高分解能を要するアプリケーションに向く。どちらのコンバータも、精度、広帯域幅、高分解能処理を必要とするモーター制御や、水中音波探知器、振動解析によく使われている。

図1　SARコンバータはノイズを含む瞬時信号の波形を取得する。ΔΣA-Dコンバータでは、サンプル期間中に平均化を行うことにより信号フィルタを行っていることになる。

＜筆者紹介＞

Bonnie Baker

Bonnie Baker氏は米Microchip Technology社でアナログ・ミックスドシグナルアプリケーション部門のマネジャーを務める。「A Baker's Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers」などの著書がある。ご意見は次のメールアドレスまで。[e-mail]