Analog Design Journal

電圧リファレンス ノイズが ADC の ENOBとノイズフリー分解能に及ぼす影響
Jackson Wightman
Applications Engineer
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Shridhar More
Systems Manager
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10Hz の範囲のノイズ) を除去することは不可能です。したがはじめにって、ノイズはほとんどの場合システム内に存在します。

サーモスタットからフライト コントロールまでさまざまなシステ
ムで、A/D コンバータ (ADC) を使用して実世界のアナログ信電圧リファレンスのノイズに加えて、ADC 自体と ADC ドライ号をキャプチャし、デジタル ドメインで処理し、デジタル結果にバからもノイズが発生します。これらの各部品は、デジタル信基づいて必要なアクションを実行しています。各 ADC は、生号を生成する回路のノイズに関係しています。図 1 はこの回成できるさまざまなデジタル レベルを表す多くのビットを指定路の簡略化したブロック図です。

します。ある一定の ADC 入力に対する、ADC の出力が一定

AnalogInputのデジタル値とはなりません。標準的な信号チェーンにはさまDriverDigitalOutput

ADC

ざまな誤差が存在するためです。したがって、比較の改善やキャプチャしたデータから最大の情報を抽出するために、有効ビット数 (ENOB) またはシグナル チェーンのノイズ フリー

VoltageReference分解能を考慮することが重要です。高精度を達成するには、
ENOB の向上とノイズ フリー分解能が必要です。

図 1. 外部電圧リファレンスを使用した汎用 ADC 回路構成

一般に、信号対雑音比 (SNR)、全高調波歪み (THD)、および式 1 は、この回路の合計ノイズを次のように表します。

システムのノイズは、ENOB の計算において重要な役割を果たします。フィールド トランスミッタや試験 / 測定アプリケーシ

Total Noise =ョンなど複数のシステムでは、DC 入力信号の精度や正確性

Noise2Driver + Noise2ADC + Noise2VREF(1)が非常に重要です。したがって、ノイズ仕様が最も重要になりシステムの ENOB を決定する際には、回路に存在するノイズます。ADC の電圧リファレンスは、精度や正確性に影響を及の量を知ることが重要です。一般に、低ノイズ設計には低ノイズ デバイスの選択が不可欠です。

ぼす可能性のあるシグナル チェーンの重要な要素です。

この記事では、電圧リファレンスの選定に加え、ADC 性能の電圧リファレンスが ADC ノイズに及ぼす影響最大化に役立つ他のデータ処理の選択肢にも注目します。

フィルタリングによって一部のノイズを除去することは可能ですが、低周波のノイズを除去することは実際にはできません。

電圧リファレンスが THD に及ぼす影響

また、必要となる抵抗とコンデンサを組み合わせたフィルタ部

電圧リファレンス ピンのサンプリングを繰り返すと、数ナノ秒し品のサイズのため、シグナル チェーンの性能に大きな影響をか間隔がない過渡電流が発生することがあります。ただし、及ぼさずに、電圧リファレンス内でフリッカー ノイズ (0.1Hz～ADC の場合、大きなゲイン誤差を避けるために、サンプル位相が終わるまでに外部リファレンスが安定化または再充電さ

電圧リファレンス ノイズが ADC の ENOB とノイズフリー分解能に及ぼす影響

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ADJ 2Q 2024

Analog Design Journal− 1.76dB
ENOB = SINAD6.02

れる必要があります。サンプリング速度を遅くするとこの問題が解決する可能性がありますが、これは必ずしも選択肢では(3)ありません。通常、ADC の精度が高いほど、リファレンス入力

式 1 を再度参照すると、電圧リファレンスに存在する全ノイズに必要な電流は大きくなります。電圧リファレンスの帯域幅がが減少すると、回路に存在する全ノイズが減少し、SNR が増十分に広くない場合、または出力インピーダンスが高すぎる加することが分かります。SNR が高くなるほど、ENOB も大き場合、ADC のリファレンス入力を再充電できません。これにくなります。また、電圧リファレンスの出力に高帯域幅バッファより電圧ドループが発生し、ゲイン誤差と ENOB の低下につを追加すると、ADC の THD が低下し、ENOB が増加しまながります。

す。

このため、ADC の THD を増加させ、データシートに掲載されている歪みと ENOB の仕様を満たすために、電圧リファレン

電圧リファレンスのノイズがノイズ フリー分解能に与える影響

スの外部に高帯域幅で低出力インピーダンスのバッファが必

ENOB は ADC 出力の分解能を正確に表しますが、DC 性能要になることがあります。一部の ADC には電圧リファレンスは考慮されていません。DC 入力から ADC へのノイズが分バッファが内蔵されていますが、内蔵されていないものもあり解能に及ぼす影響を理解するには、回路のノイズ フリー分解ます。図 2 に、回路の THD を増やすために外部バッファを追能を明らかにすることを検討してください。式 4 を使用すると、加する場所を示します。

DC 信号を測定しながら、ADC のデジタル出力の最下位ビッ

Analog
Input

Driverト (LSB) 数でコードの拡散を観察し、ノイズ フリー分解能を計

DigitalOutput

ADC算できます。
Noise Free Resolution = N − log2 Code Spread

Voltage
Reference(4)

リファレンス ノイズがシステムの精度性能に及ぼす影響を明Buﬀer

確にするために、同僚と私は REF70 (0.23ppmp-p フリッカーノイズ) と REF50 (3ppmp-p フリッカー ノイズ) を使用して、特図 2. 外部電圧リファレンスとリファレンス バッファを使用した、汎用ADC 回路構成定のシグナル チェーンに対する DC コード拡散テストを実施しました。REF50 と REF70 はどちらも、高精度 ADC とともに電圧リファレンスのノイズと THD が ENOB に与える影響使用される高精度電圧リファレンスであり、異なる DC 特性を持っています。ただし、このテストの目標は、信号チェーン回ENOB は、回路の AC 特性が ADC 分解能にどのように影響路内でこれらのデバイスのノイズ性能を比較することのみでしするかを表します。回路のノイズと THD は、信号対雑音比おた。

よび歪み (SINAD) と呼ばれる用語で表されます。SINAD は、この設計では、20kSPS でデータをキャプチャする式 2 で表されるように、これら 2 つの AC 特性を 1 つの数値

ADS8900B 20 ビット SAR ADC のフルスケール レンジに近で表します。

い電圧レベルで、安定した DC 電源としてバッテリを使用しま−SNR/10SINAD dB = − 20log 10

THD/10+ 10す。OPA2320 をゲイン = 1 で使用して、ADS8900B の入力(2)を駆動します。この ADC はリファレンス バッファ ドライバを内式 2 から、SNR が増加するにつれて SINAD も増加すること蔵しているので、オプションのリファレンス バッファは不要でがわかります。したがって、存在するノイズと歪みが少ないほす。電圧リファレンスの出力に、単純な抵抗 - コンデンサによど、SINAD は良好です。SINAD を使用すると、式 3 で ADCるローパス フィルタを配置することで、電圧リファレンスからのの ENOB を簡単に見つけることができます。これは特に、以ノイズをさらに低減できます。図 3 に、このテストで使用する下の理由からです。

電圧リファレンス ノイズが ADC の ENOB とノイズフリー分解能に及ぼす影響セットアップを示します。

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Reference

DC Input
fromBattery

RC LPF

OPA2320

ADS8900B

Output

図 3. 以下のノイズフリー分解能テストに使用した回路。

電圧リファレンスの横にある信号チェーンの部品にもフリッカーノイズがあり、これは最終的なコード拡散の一部になりま

図 5. REF70 ノイズ = 0.23ppmp-p の結果。

す。信号チェーンは、リファレンスが異なる場合にのみ同じ状態を維持するため、性能数値への影響は電圧リファレンス ノ

オクターブ ツールを使用し、3 種類のデジタル フィルタによりイズのみである必要があります。

生データの後処理を実行しました。

高精度システムは、精度の向上と全体的な分解能の向上の• 1,024 タップ移動平均フィルタ。

ために、データ処理手法を採用しています。この実験では、• 801 タップ、17Hz ローパス フィルタ。

ADS8900B から取得した 20 ビットの未加工データを、出力• 455 タップ、36Hz ローパス フィルタ。に 16 を乗算して 24 ビット長に変換しました。変換された 24

図 6 に、これらのフィルタのフィルタ応答を示します。

ビット データは、異なる有限インパルス応答 (FIR) フィルタによって処理されます。FIR フィルタは 実装が容易で、入力値に変化が生じた場合に迅速に安定します。出力データ レート
は 20kSPS のままですが、レイテンシはフィルタ特性で定義されています。
24 ビット レベルでは、REF50 と REF70 のノイズ (および精度) はほぼ同等であり、全体的なノイズはシグナル チェーンとその広帯域ノイズによって支配されます。平均コード値の差は、電圧リファレンスの差が原因で、キャリブレーションで除図 6. デジタル フィルタの応答。

去できる精度仕様です。これらの結果を図 4 と図 5 に示します。

図 7、図 8 および 図 9 に、デジタル フィルタがコード拡散に及ぼす影響を示します。

図 4. REF50 ノイズ = 3ppmp-p の結果。
図 7. 1,024 タップ フィルタのヒストグラム。

電圧リファレンス ノイズが ADC の ENOB とノイズフリー分解能に及ぼす影響

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図 9. 801 タップ フィルタのヒストグラム。

図 8. 455 タップ フィルタのヒストグラム。

式 4 を使用すると、REF50 と REF70 の各フィルタ プロファイルが ADC の分解能に及ぼす影響を簡単に比較できます。これらのテスト結果を 表 1 にまとめました。
デジタル フィルタの種類

コーナー周波数 (Hz) タップ数

DC コード拡散 (LSB)

ノイズ フリー分解能(bits)

DC コード拡散、最下位ビット

24 ビットでの REF70

ノイズ フリー分解能(bits)

24 ビットでの REF50

フィルタなしN/A0448

15.1

496

15.0

1,024 タップ移動平均

81,0243518.811817.1

FIR No. 117801

3818.712117.0

FIR No. 236455

4918.313516.9

表 1. さまざまなフィルタ プロファイルとリファレンス デバイスを使用した DC コード拡散の比較。

この比較は、最高精度のアプリケーションで、ノイズ フリー分解能を計算する際に REF70 が REF50 よりも優れていることを示しています。これは主に、デバイスのフリッカー ノイズ レベルの違いが原因です。REF70 を使用する場合のコード拡

まとめ
ADC は何千ものアプリケーションやテクノロジーで使用されているため、常に高い精度や正確性を実現する必要があります。高度な X 線システムを設計する場合でも、非常に精度の散の縮小は、超低ノイズが高精度アプリケーションにおいて 2高いバッテリ テスト回路を設計する場合でも、あるいはそのビット近い分解能の改善を実現できることを示しています。加他、革新的な回路であっても、ADC シグナル チェーンの精度えて、低ノイズ リファレンスを使用すると、ノイズ フリーの高いと正確性を向上させるには、電圧リファレンスを注意深く選択分解能を維持しながら、高速 455 タップ フィルタを使用できるして実装することが不可欠です。ADC の ENOB とノイズ フリことがわかります。電圧リファレンスのフリッカー ノイズが小さーの分解能を向上させることで、より高度で多様なシグナルいと、コード拡散が減少するので、ノイズ フリーの分解能が向チェーンの実装を可能にします。

上します。ENOB と同様、低いノイズフリーの分解能を実現するようにシグナル チェーンを設計する際に、ノイズは重要な検討事項になります。

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