デルタ-シグマADC内のノイズの概要：アナログ設計のきほん【ADCとノイズ】（1）（3/3 ページ）
デルタ-シグマADCのノイズに関する包括的な理解を深めるために、代表的なシグナルチェーンの一般的なノイズ源を調べ、ノイズを低減して高精度の測定を維持する手法を解説していきます。第1回は、ADCノイズの基本を重点的に見ていきながら、「ノイズとは何なのか」「高分解能ADCと低分解能ADCではノイズにどのような違いがあるか」などの疑問について、詳しく説明していきます。
高分解能ADCと低分解能ADCの比較
低分解能ADCは、「NADC,Quantization≫NADC,Thermal」であるような、総ノイズが量子化ノイズに大きく依存するデバイスです。反対に高分解能ADCは、「NADC,Quantization≪NADC,Thermal」であるような、総ノイズが熱ノイズに大きく依存するデバイスです。低分解能と高分解能は一般に16ビットレベルを境界線とし、16ビットを上回るものは高分解能、16ビットを下回るものは低分解能と見なされます。常にその通りになるとは限りませんが、このシリーズでは、全体を通してこの一般的な慣習に従います。
なぜ16ビットレベルで区別するのでしょうか？ 理由を明らかにするために、2つのADCのデータシートを見てみましょう。図6は、16ビット・デルタ-シグマADCである『ADS114S08』（テキサス・インスツルメンツ製）と、24ビット対応の「ADS124S08」（同）のノイズ表を示しています。これらのADCの分解能以外の仕様は同一です。
16ビットのADS114S08のノイズ表では、データレートに関係なく全ての入力換算ノイズ電圧が同じです。一方、24ビットのADS124S08では、入力換算ノイズ値が全て異なり、データレートの低下と共に減少（改善）しています。
この比較だけで決定的な結論は得られませんが、次の式3と式4を使用し、基準電圧を2.5Vと仮定して各ADCのLSBサイズを計算してみましょう。
これらの観測値を組み合わせることで、データシートに記載されている低分解能（16ビット）ADCのノイズ特性は、そのLSBサイズ（最大量子化ノイズ）と同等であることが分かります。一方、高分解能（24ビット）ADCのデータシートに記載されているノイズは、そのLSBサイズ（量子化ノイズ）を明らかに大きく上回っています。この場合は、高分解能ADCの量子化ノイズが非常に小さいため、実質的には熱ノイズに隠れた状態となっています。以下の図7は、この比較を定性的に表したものです。
この結果を有効活用するには、どうすればよいのでしょうか？ 量子化ノイズが支配的となる低分解能ADCでは、より低い基準電圧を使用すれば、LSBサイズが縮小し、量子化ノイズの振幅も小さくなります。これには、図8左に示すように、ADCの総ノイズを低減させる効果があります。
熱ノイズが支配的となる高分解能ADCでは、より高い基準電圧を使用し、量子化ノイズのレベルが熱ノイズを上回らないよう抑えながらADCの入力範囲（ダイナミックレンジ）を拡大します。他にシステムの変更点がないと仮定すると、このように基準電圧を高くすることで、図8右から分かるように信号対雑音比を改善できます。
ADCノイズの成分や、高分解能と低分解能のADC間における各成分の違いについて理解できたと思いますので、その知識を生かして、第2回ではノイズがどのように測定され、ADCのデータシートに記載されているのかを見ていきます。
抑えておきたい重要ポイント
以下は、デルタ-シグマADC内のノイズをより良く理解する上で抑えておきたい重要ポイントをまとめたものです。
- ノイズは全ての電子システムに固有のもの
- ノイズは全てのシグナルチェーン部品を介して侵入
- ADCノイズには主に2つの種類
- 基準電圧と共に変化する量子化ノイズ
- 特定のADCごとに値が固定される熱ノイズ
- ADCの分解能に応じて通常は1種類のノイズが支配的となる
- 高分解能ADCの特性：
- 熱ノイズが支配的
- 分解能は一般に1 LSBを上回る
- 基準電圧を高くするとダイナミックレンジが拡大
- 低分解能ADCの特性：
- 量子化ノイズが支配的
- 分解能は一般にLSBサイズによって制限
- 基準電圧を低くすると量子化ノイズが減少し、分解能が高くなる
- 高分解能ADCの特性：
著者紹介
ブライアン・リゾン（Bryan Lizon）
テキサス・インスツルメンツ 高精度ADC製品プロダクト・マーケティング・エンジニア
Copyright © ITmedia, Inc. All Rights Reserved.
関連記事
A-Dコンバーターの「ノイズ・スペクトル密度」を理解する
信号アクイジションシステムについては、数十年にわたってより広い帯域幅が求められる状況が続いています。その結果、高速A-Dコンバーター（ADC）で最も重視される性能項目にも緩やかな変化が生じています。それに伴い、ADCの性能は、従来とは異なる方法で測定されるようになってきました。
IoTにおける“精度”の重要性
IoT（モノのインターネット）では、高精度にデータを計測、センシングする必要があります。高い精度での計測、センシングは、IoTにさまざまな利点をもたらすためです。ここでは、いかにIoTにおいて、計測／センシングの精度が重要であるかを事例を挙げつつ、考察していきます。
オペアンプのダイナミック応答の検討（2） タイプ2補償回路の伝達関数
第2部では、2つの極の概要とそれらがフィルターの最終的な性能に対してもたらす歪みについて考察しながら、タイプ2の補償回路の伝達関数を決定する方法を説明します。
オペアンプのダイナミック応答の検討（1） タイプ2補償回路の使用時
補償回路は、理想的な特性を想定したオペアンプを中心に構築したアクティブ回路が使用されます。ですが、理想的なオペアンプを想定した計算は成立せず、最終的にゲインと位相の深刻な歪みを招く結果になります。開ループゲインと、低周波および高周波にある2つの極が全体的な応答の形状をどのように規定するかが明らかになると、適切なオペアンプを選択できます。
高速、高電圧絶縁のための絶縁LVDSバッファ
絶縁と長い距離にわたる高速相互接続を両立する場合、絶縁LVDS（低電圧差動信号）バッファが有効です。そこで、絶縁LVDSバッファの活用例を紹介するとともに、昨今の絶縁要件などを考察し、最新の絶縁LVDSバッファソリューション例を紹介します。
DACの精度を改善するためのトリミング
高い精度が求められるシグナルチェーンに必須の部品である高精度D-Aコンバーター（DAC）。高精度DACはトリミング（校正）を行うことで、信号精度をさらに高めることができる。本稿では、DACに使われる2つのアーキテクチャ「R2Rラダー」と「ストリングDAC」について説明しながら、両アーキテクチャで精度向上に役立つトリミング手法を検討する。