アナログ-デジタル (ADC) コンバーターの種類と基本機能

ADCは、何らかの形式の量子化によってこの変換を実行します。量子化とは、多くの場合は丸めによって、連続した値のセットをより小さな (可算な) 値のセットにマッピングすることです。その結果、アナログからデジタルへのプロセスには、たとえ小さなものであっても、常に一定量のノイズやエラーが伴います。

さまざまなタイプのコンバーターは、そのアーキテクチャに応じてさまざまな方法でこの量子化を実現します。各ADCアーキテクチャには、それぞれ独自の長所と短所があります。

ADCパフォーマンス要因

ADCのパフォーマンスはいくつかの要素を使用して評価できますが、最も重要な要素は次のとおりです。

ADC信号対雑音比 (SNR): SNRは、特定のサンプル内のノイズ以外のビットの平均数 (有効ビット数またはENOB) を反映します。

ADC帯域幅: 帯域幅は、サンプリング レート (離散値を生成するためにアナログ ソースがサンプリングされる1秒あたりの回数) を評価することで決定できます。

ADCの比較 – 一般的なADCの種類

フラッシュおよびハーフ (ダイレクト型ADC): フラッシュADCは「ダイレクトADC」とも呼ばれ、非常に高速で、ギガヘルツ範囲のサンプリング レートが可能です。これらの速度は、それぞれ定義された電圧範囲で並列に動作するコンパレータ バンクを実行することによって実現されます。その結果、他のADCと比較してサイズが大きく、高価になる傾向があります。これらには2^N-1個のコンパレータが必要です。ここで、Nはビット数です (したがって、8ビットの解像度には255個のコンパレータが必要です)。フラッシュADCは、ビデオのデジタル化や光ストレージの高速信号に使用されています。

セミフラッシュADC: セミフラッシュADCは、それぞれセミフラッシュ デバイスのビットの半分の解像度を持つ2つの個別のフラッシュ コンバーターを使用して、サイズ制限を回避します。1つのフラッシュ コンバーターは最上位ビットを処理し、もう1つは最下位ビットを処理します (コンポーネントが2*2^N/2-1に削減され、31個のコンパレータで8ビットの解像度が得られます)。一方、セミフラッシュコンバーターは、非常に高速ではあるものの、フラッシュコンバーターの2倍の時間がかかります。

逐次比較 (SAR): これらのADCは逐次比較レジスタによって識別されるため、SARというニックネームが付けられています。これらのADCは、コンパレータを使用して入力電圧と内部のデジタル - アナログ コンバーターの出力を比較し、入力が狭い範囲の中間点を超えているか下回っているかを連続的に判断します。たとえば、5Vの入力信号は、0 - 8Vの範囲の中間点を超えています (中間点は4V)。したがって、5V信号を4 ～ 8Vの範囲と比較すると、範囲の中央値を下回ることがわかります。解像度が最大になるか、目的の解像度に達するまで、このプロセスを続けます。SAR ADCはフラッシュADCよりもかなり低速ですが、フラッシュ システムのコンポーネント サイズやコストをかけずに、より高い解像度を実現します。

シグマデルタADC: ΣΔ は比較的最近のADC設計です。シグマデルタは他の設計に比べて非常に低速ですが、すべてのADCタイプの中で最高の解像度を提供します。その結果、高忠実度オーディオ アプリケーションには非常に適していますが、通常、より多くの帯域幅が必要な場所 (ビデオなど) では使用できません。

パイプラインADC: パイプラインADCは「サブレンジング クォンタイザー」とも呼ばれ、概念はSARに似ていますが、より洗練されています。SARは各ステップで次の最上位桁 (16から8、4など) に進みますが、パイプラインADCは次のプロセスを使用します。

1.粗い変換を実行します。

2.次に、その変換を入力信号と比較します。

3.ADCはより細かい変換を実行し、一定範囲のビットの中間変換を可能にします。

パイプライン設計は通常、SARとフラッシュADCの中間に位置し、速度、高解像度、サイズのバランスを保ちます。

まとめ

ADCにはランプ比較型、ウィルキンソン型、積分型など、他にもさまざまな種類がありますが、この記事で紹介するのは、民生用電子機器で最も一般的に使用され、一般向けに販売されているものです。ADCは、種類に応じて、オーディオ再生機器、デジタル録音セットアップ、テレビ、マイクロコントローラなどに使用されています。このような背景を踏まえて、 ニーズに合った適切なADCの選択について詳しく知ることができます。