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» 2019年08月27日 11時00分 公開

アナログ設計のきほん【ADCとノイズ】(6):信号の分解:デルタ-シグマADCでのアンプ・ノイズの影響 (1/5)

今回と次回は、アンプのノイズがデルタ-シグマA/Dコンバーター(ADC)に与える影響について考察します。まずは、「出力換算ノイズと入力換算ノイズ」「ADCの入力にアンプを追加」「低分解能ADCと高分解能ADCの比較」について扱います。

[Bryan Lizon(Texas Instruments),EDN Japan]
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 多くのデータ収集(DAQ)システムで、低レベル入力信号の正確な測定が設計上の課題になることがよくあります。例えば、ファクトリーオートメーションのアプリケーションの多くは、プログラマブル・ロジック・コントローラ(PLC)を使用し、温度センサーや負荷セルの値を基に決定を下します。同様に、石油掘削施設では産業用差圧流量計を使用し、ミリリットルの精度で、油田から取り出した石油の量を判断します。

 このような工程内の変化を測定するために、さまざまな種類の最終製品で、測温抵抗体(RTD)や、熱電対、抵抗性ブリッジなどのアナログセンサーが用いられています。通常これらのセンサーからの信号レベルは非常に低いため、信号をDAQシステムのノイズフロア以上に増幅する必要があります。さらにエンジニアは、アナログ/デジタルコンバーター(ADC)のフルスケール範囲(FSR)を最大限利用することで、ゲインによりダイナミックレンジを増加させます。どちらの場合でも、アナログシステムにゲインを追加するには通常、アンプが必要になります。このアンプは、ディスクリート部品のこともあれば、ADCといったシグナルチェーン部品のどれかに内蔵されている場合もあります。

 電子システムに何かしら部品を導入するときと同じく、これらのアンプはノイズの原因になります。このノイズはシステムにどう影響するでしょうか。本連載の第6回と第7回では、アンプのノイズと、これが標準的なシグナルチェーンに与える影響について理解を深めることで、この疑問に対する答えを探っていきます。

 第6回では、アンプノイズに関連して次のトピックを主に扱います。

  • 出力換算ノイズと入力換算ノイズ
  • ADCの入力にアンプを追加
  • 低分解能ADCと高分解能ADCの比較

 第7回では、市販のADCとアンプを使用した詳細な設計例を用いて、この記事で考察する理論を補完し、さらに発展させていきます。

出力換算ノイズと入力換算ノイズ

 出力換算ノイズ(VN,RTO)は、出力基準のノイズとも呼ばれ、名前が示すとおりADCの出力で測定するノイズのことです。本連載の第2回を振り返ってほしいのですが、ADCのメーカーがADCのノイズ特性評価に利用する手法の一つが、図1に示すようにデバイスの入力同士を短絡して出力でのADCノイズを測定し、ADCの固有ノイズを判定することです。

図1:出力換算ノイズの測定

 しかし、実際にデータシートで示される値は通常、入力換算値です。出力換算ノイズと同じく、入力換算ノイズ(VN,RTI)は入力基準のノイズとも呼ばれ、ADCの入力でのノイズです。ただし出力換算ノイズと異なり、入力換算ノイズは測定ではなく計算で求めます。ゲイン段が内蔵されていないADCでは、式1で示すように入力換算ノイズは出力換算ノイズと等しくなります。

 では、なぜADCのメーカーは出力換算ではなく入力換算でノイズを規定するのでしょうか。図2に示すように、ADCとそのノイズとを切り離した「ノイズのない」ADCと、その前段にADCの入力換算ノイズと等しい電圧源を置いた、等価回路ノイズモデルを作成するのが有効です。

図2:ノイズのないADCと、ADCの入力換算ノイズと等価な前段のノイズ源

 これで、実際の信号をADCに入力するとき、入力換算ノイズとしてADCのノイズ特性を評価したくなるのが簡単に理解できます。なぜなら、この特性によりシステムの分解能が決まるからです。事実上、入力信号は入力換算ノイズと「競い合う」関係にあります。信号の振幅が入力換算ノイズよりも大きい場合は信号を確認できますが、小さい場合は信号がノイズに埋もれて確認できなくなってしまいます。

 究極的には、分解が必要な最小の入力信号が分かっていれば、必要な分解能が得られるADCかどうかは入力換算ノイズから素早く簡単に分かります。これは出力換算ノイズが入力換算ノイズと等しいスタンドアロンのADCではそれほど重要ではないですが、信号パスにアンプを追加したらどうなるでしょうか。

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