24ビット2Msps SAR ADCがダイナミック レンジを新たなレベルに引き上げます

脳波計のような 医療用途では、高レベルのノイズが存在する状況で信号を収集する必要がある場合があります。刺激を受けたときの細胞内の電気活動は活動電位と呼ばれ、100Hzから2kHzの周波数で10uVから100mVの範囲になります。信号がノイズに埋もれている場合は、サンプルを平均化して信号を解決する必要があるため、高ダイナミック レンジのADCが必要になります。

地震学と地震探査 も、共通の要件を持つ要求の厳しいアプリケーションです。地震計と加速度計の信号は、140dBのダイナミック レンジと最大100Hzの周波数を持つことができます。センサーが受信する地震信号のSNRは、信号伝播中に地下および深層で吸収および減衰するため、非常に低くなります。これにより、これらの信号を測定することが非常に困難になります。

ガスセンサー は、0.5ppmという低い検出レベルでも警報を発する、非常に低濃度のガスを検出できる必要があります。このアプリケーションでは、有毒化学物質を迅速に検出するだけでなく、不必要にアラームが作動しないようにするために、高い精度と広いダイナミック レンジが不可欠です。

より広範な傾向により、データ変換の基準も引き上げられています。ポータブル デバイスへの移行により、データ変換タスクがますます複雑化し、バッテリー駆動のデバイスに移行しています。設計者は、より少ないスペースを使用しながら同時に電力消費を最小限に抑えるソリューションを開発する必要があります。

データ変換タスクの場合、一般的なADCアーキテクチャにはそれぞれ利点と欠点のリストがあります。

データコンバータアーキテクチャ

アナログ-デジタル コンバータの設計には、ほとんどの場合、一連の妥協が伴います。コンバーターの場合、主な目的（高解像度、高速、低消費電力）によって大きく異なります。注意: 必ずしも3つすべてを選択できるわけではありません。 

アプリケーション要件の全範囲をカバーするために、長年にわたって複数のADCアーキテクチャが登場してきましたが、現在使用されている主なアーキテクチャは3つあります。

逐次比較レジスタ (SAR) アーキテクチャは、従来、低周波信号を扱う主流のアナログ/デジタル コンバータ アプリケーションでよく使用される「頼りになる」アーキテクチャでした。高解像度、低速デルタシグマアーキテクチャと高速、 パフォーマンスの低下、 パイプラインアーキテクチャ。通常、パイプラインADCに比べてコストが低く、消費電力も控えめです。SARコンバーターは連続する変換間に遅延がないため、多重化された信号や非周期的な信号をサンプリングするのに最適です。

パイプライン コンバーターは、サンプリング速度を上げるために、マルチステージのシーケンシャルパイプラインアーキテクチャを使用します。これらは、広い信号帯域幅またはより高い入力周波数の信号を取得するための非常に高いサンプル レートで市場を支配しており、サンプル単位では高速SAR ADCと比較して消費電力が少なくなっています。これらは、ソースが変わるたびに「パイプをフラッシュ」する必要があり、かなりの遅延が発生するため、多重化された入力や非周期的な入力を処理するのには適していません。高解像度アプリケーションにおけるSAR ADCの主なライバルは、 デルタシグマ コンバーター。これはデルタシグマ変調器とデジタルデシメーションフィルターに依存します。このアーキテクチャはSARに比べて遅く、精度も劣ります。最も重要なのは、デルタシグマADCのノイズスペクトルには振動するノイズトーンが含まれるのに対し、SAR ADCのノイズフロアには均一なパワーがあるということです。 スペクトル密度。これにより、SAR ADCは、非常に低いレベルの音や振動を検出するのにより適したものになります。

LTC2380-24のご紹介

欠点があるにもかかわらず、SARコンバータは従来18ビットを超える解像度では利用できなかったため、比較的低速のデルタ シグマ アーキテクチャが高解像度アプリケーション向けの唯一の選択肢となっていました。最近、Analog DevicesのPower by Linearは、高解像度 (24ビット) と高サンプル レート (最大2Msps) を組み合わせたSARコンバーターである LTC2380-24 を発表しました。これは、20ビット1Msps LTC2378-20、18ビット1.6Msps LTC2379-18、16ビット2Msps LTC2380-16などを含むLTC2380ファミリの主力製品です。これらの部品はすべてMSOP-16  および4mm x 3mm DFNパッケージで提供され、ピン互換性があります。

24ビットの精度、高速2Mspsサンプル レート、および比類のない 0.5ppm (typ) の直線性により、LTC2380-24は、ECG/EEGなどの高ダイナミック レンジ アプリケーションで非常に低レベルの入力信号を解決できます。 ±

LTC2380-24には、内蔵デジタル フィルタや単一電源動作用のデジタル ゲイン圧縮など、一般的な設計上の問題を簡素化する追加機能が含まれています。

詳細な技術仕様はLTC2380-24製品ページに掲載されています。この記事では、この部品のいくつかの特別な機能とそれが対象アプリケーションにもたらす利点について説明し、いくつかのアプリケーションの詳細についても触れます。

平均化のためのデジタルフィルタリング

地震探査などの多くのアプリケーションでは、広帯域ノイズが存在する中で弱い低周波信号を正確に測定する必要があります。ナイキストよりもはるかに高いレートで信号をオーバーサンプリングし、複数の変換の結果を平均化すると、この相関のないノイズの影響が軽減されます。オーバーサンプリングは、ノイズをより広い帯域幅に拡散することでADCの有効ダイナミック レンジを拡大し、対象帯域幅のノイズ スペクトル密度を低減します。これにより、フロントエンドのアンチエイリアシング フィルターの複雑さも軽減され、消費電力が削減され、ノイズや歪みも減少します。

LTC2380-24は、追加のハードウェアなしでこの機能を提供できる統合デジタル平均化フィルタを備えているため、設計が簡素化され、多くの独自の利点が得られます。LTC2380-24はサンプル レートが高いため、多くのアプリケーションでこのオプションを選択できます。ユーザーにとっての利点は、プロセッサ内の貴重なリソースを他のタスクの実行に使用できるようになり、平均化されたデータははるかに低いデータ レート (最低2Msps) で転送できることです。

図1: デジタル平均化フィルタによるダイナミックレンジの改善

サンプリング レートと拒否する周波数に基づいてNを選択することで、特定の入力周波数を拒否できます。これは、多くの敏感なデータ収集アプリケーションで問題となる50Hzまたは60Hzのライン周波数を除去するのに特に役立ちます。 

たとえば、N = 20,000を選択し、サンプル レートを1Mspsにすると、50Hzの周波数が拒否されます。詳細については、LTC2380-24のデータシートを参照してください。

デジタルゲインコンプレッション

図2: デジタルゲイン圧縮

LTC2380-24 -24にはデジタル ゲイン圧縮 (DGC) が含まれています。この機能は、フルスケール入力振幅を +/-VREFアナログ入力範囲の10% ～ 90% の範囲に定義します。この機能を有効にするには、REF/DGCピンを低く保持します。DGCにより、LTC2380-24の前の信号調整回路に単一の +5V電源から電力を供給できるようになります。これは、図2に示すように、LTC2380-24で5Vリファレンスを使用すると、各ADC入力が0.5V ～ 4.5Vの間で変動するためです。これにより、ADCドライバの負のレールが不要になり、システム コストが削減され、システム全体の電力がさらに節約されます。特に、バッテリー駆動およびポータブル アプリケーションでは、この機能が役立ちます。

電源管理

LTC2380-24は変換が完了すると電源がオフになりますが、変換データは引き続きクロック出力されます。パワーダウン モードでは、消費される総電力はわずか2.5uW (標準) なので、定期的な入力サンプルのみを必要とする低電力アプリケーションに最適です。LTC2380-24は、2Mspsでサンプリングする場合、単一の2.5V電源でわずか28mWしか消費しません。

アプリケーションの詳細: 入力ドライバの最適化

図3: LTC2380-24の入力フィルタリング

サンプルおよびホールドフェーズ中にアナログ信号を高速に安定させるために、低出力インピーダンスを提供するバッファ アンプの使用が推奨されます。もちろん、バッファ アンプと信号ソースの歪みとノイズはADCのノイズと歪みに追加されるため、考慮する必要があります。

ノイズを最小限に抑えるには、バッファ アンプ入力の前に適切なフィルターを使用して入力信号をフィルタリングする必要があります。図3に示す単純なRCローパス フィルタ (LPF1) は、多くのアプリケーションに十分です。

ドライバの出力とADC入力の間には、追加のローパス フィルタLPF2が必要です。これは、LTC2380-24のサンプリング プロセスでは、サンプル アンド ホールド プロセスの開始時にサンプリング コンデンサがオンに切り替えられたときに電荷の過渡現象が発生するため重要です。これにより、電荷がアンプからサンプリング コンデンサに流れるときに、アンプの出力が短時間「短絡」します。ドライバーは、サンプル期間が終了する前にこの負荷過渡から回復できる必要があります。そうしないと、ADC入力ピンの信号は有効な表現にはなりません。LPF2はADCのサンプリング過渡を分離します。容量が電荷の大部分を提供し、抵抗がLTC2380-24によって注入された電荷を減衰させます。

LPF2は差動モードとコモンモードの両方のローパス フィルタリングを提供します。差動カットオフ周波数は1/2πR(2CD + CC)で与えられ、コモンモードカットオフ周波数は1/2πRCCで与えられます。

CCコンデンサが可能な限り一致することが重要です。抵抗器やコンデンサは歪みを加える可能性があるため、設計では金属皮膜抵抗器やコンデンサなどの高品質の部品を使用する必要があります。 ゼロドリフトセラミック（NPO）または銀マイカコンデンサ。

ドライバオペアンプの選択

LTC2380-24では、最高のACパフォーマンスを得るために、通常2つの異なるオペアンプが使用されます。

完全差動ソースをバッファリングしたり、シングルエンド入力を差動形式に変換したりするには、LT6203をお勧めします。LT6203は、レールツーレール入力および出力を備えた、ユニティゲイン安定のデュアル低消費電力オペアンプです。100MHz GBW製品、1.9nV/√Hzの超低ノイズ電圧、1MHzで –80dBc未満の高調波歪みを特長としています。LT6203はチャネルあたりわずか2.5mAの供給電流しか消費しないため、低電力アプリケーションに適しています。

LTC6362 SAR ADCドライバは、5V電源による単一電源動作に推奨されます。また、レールツーレールの入力と出力を備えていますが、完全に差動であり、ノイズ密度は3.9nV/√Hz、GBW積は180MHz、歪みは1kHzで -116dBです。

図4は、ピークツーピーク ノイズがわずか0.25ppm、精度が最大0.025% の低ドリフト高精度電圧リファレンスであるLTC6665とともに、単一電源アプリケーションで使用されるLTC6362を示しています。LTC6362のピン2の電圧によってコモンモード電圧レベルが設定されることに注意してください。フローティングのままにしておくと、内部抵抗分割器は5V電源で2.5Vのデフォルト電圧を生成します。

図4: LTC6362を使用した単電源アプリケーション回路

地震石油探査装置では、ジオフォンと呼ばれる感知要素が1,000個以上使用されることがあります。それぞれが、ノイズの多い環境において最大100kHzの周波数の低レベル信号を生成します。LTC2380-24の高サンプリング レートにより、オーバーサンプリングとデジタル平均化フィルタの使用が可能になり、ダイナミック レンジが最大化されます。

同様に、MRI、ガスクロマトグラフィー、デジタルX線装置などの医療アプリケーションでは、低レベル信号の精密測定が求められ、データ取得フロントエンドのダイナミック レンジに厳しい要求が課せられるため、LTC2380-24は理想的な選択肢です。

デザインサポート

LTC2380-24 -24の評価は、図5に示すDC2289デモ ボードを使用すると簡単に行えます。   

DC2289は、最高のパフォーマンス設計を実現するための正しいレイアウトと推奨デバイスの選択を示します。ボードにはLT6203が搭載されている  完全差動信号源および内蔵ローパスフィルタの入力バッファリングアンプとして使用します。

ピークツーピーク ノイズやDC直線性などのDCパフォーマンス パラメータを実証するために、DC2289をDC590B USBシリアル コントローラまたはDC2026C Linduino One絶縁型Arduino互換デモ ボードに接続できます。あるいは、   DC890B Pスコープ™ データ収集ボードは、SNR、THD、SINAD、SFDRなどのACパフォーマンス メトリックを実証するために使用できます。

図5: DC2289Aデモボード

LTCは、DC590用のQuikEvalシステムやDC890用のPScopeソフトウェアなど、さまざまな無料のデータ収集および分析ツールを提供しています。DC2026のコード ベース全体 (LTSketchbook.zip) は、Analog DevicesのWebサイトからダウンロードできます。パッケージには、LTC2380-24を含むすべての対象デバイスのデモ コードとライブラリが含まれています。 

結論

LTC2380-24は、高解像度と高速性を独自に組み合わせた画期的な高精度アナログ - デジタル コンバータです。

これには、データ取得、地震探査、医療、産業プロセス制御、ATEなど、さまざまな高精度アナログ分野で設計者が問題を解決し、タスクを実行するのに役立つ多数の機能があります。

LTC2380-24をAnalog DevicesのPower by Linearの包括的な開発ツール スイートと組み合わせると、設計者は次の高精度データ取得プロジェクトを迅速に開始できるようになります。