アナログ-デジタルコンバーター (ADC) 選択ガイド

適切なADCを選択するには、まず次の4つの重要な要素を考慮する必要があります。

- 解像度
- 速度
- 精度
- ノイズ

これらの領域でプロジェクトのニーズを評価したら、次のような重要度の低い変数を考慮して選択範囲をさらに絞り込むことができます。

- 入力電圧
- インターフェース
- チャンネル数

考慮すべきADC選択基準

ADCの世界を探索する際には、解像度、速度、精度、ノイズが選択にどのように影響するかを思い出してみると役立つかもしれません。

解像度 とは、ADCが1回の変換で生成できる出力ビットの数を指します。この数値は、システムが表現できる最小の入力信号を決定します。解像度は、ADCが表現できるアナログ信号の最小の増分変化も定義します。

速度 はデバイスのサンプリング レートに関係します。言い換えると、ADCが処理できる1秒あたりの最大変換数はどれくらいでしょうか。サンプリング レートは、1回の変換を実行するのにかかる時間によって決まります。この数値は、最良のシナリオで1秒あたりに可能なサンプル数を決定します。

精度 は比較的簡単です。出力は入力とどの程度一致していますか?出力のうち、目的の信号はどれくらいですか?一般的に、信号対雑音比 (SNR) と呼ばれる数値を使用して、出力信号に存在するノイズの観点から精度を評価します。この数値が高いほど優れています (一定量のノイズあたりの信号が多い)。理想的なADCでも、アナログ信号をデジタル化するために丸め処理が必ず行われるため、ある程度のノイズが存在します (量子化ノイズについては後述)。一般的に、解像度が高くなると精度も高くなります。丸め誤差が小さくなると、デジタル出力がアナログ入力に忠実になるからです。

量子化ノイズ デバイスの精度に影響を与えるいくつかのノイズ タイプの1つです。量子化ノイズはアナログからデジタルへの変換では避けられないため、このタイプのノイズについては別途言及する価値があります。簡単に言えば、連続セットが離散セットに変換されると、一部の情報が失われることが予想されます。失われた情報は量子化ノイズと呼ばれ、のこぎり波ノイズ信号として現れます。十分に高い解像度があれば、量子化ノイズを機能的に克服することは可能ですが、量子化ノイズはADCプロセスの本質的な部分として残ります。

一般的なADCアーキテクチャの概要

さまざまなADC設計にはそれぞれ長所と短所があります。結果として、どのタイプのADCを使用するかは、プロジェクトと意図するユースケースによって大きく左右されます。デバイスで何を達成したいかを明確にすることで、上で説明した4つの要素に優先順位を付け、適切なタイプのADCアーキテクチャを選択するのに役立ちます。
最も一般的なADCアーキテクチャは次のとおりです。

- フラッシュ
- 逐次近似法（SAR）
- デルタシグマ
- パイプライン

特定のアーキテクチャ タイプでは、ADCの解像度が高くなるほど速度は低下します (逆もまた同様)。これは、解像度が高くなると変換するデータ量が増えるためです。ただし、パイプラインADCは、SARとフラッシュ型ADCの優れた特性を組み合わせて、高速性と高解像度の両方を実現するという、ややユニークな方法です。

フラッシュADCはサイズが大きく高価ですが、その速度により、アナログ ビデオ録画をデジタルに変換するという膨大な量のデータを処理するプロセスに最適です。SARは、超高速性がそれほど重要ではなく、精度が最も重要視されるデータ収集および計測アプリケーションで非常に人気があります。

デルタシグマアーキテクチャ（最新設計の1つ）は驚異的な精度を誇りますが、人気のある設計の中で最も遅いため、高忠実度オーディオアプリケーションに適しています。このような場合、小さなニュアンスも捉えることが重要ですが、データの総量はそれほど多くありません (たとえば、ビデオと比較すると)。その結果、デルタシグマ設計は主にデジタルオーディオや計測機器に採用されるようになりました。

最後に、パイプラインADCは、適度に高い解像度と速度の両方を兼ね備えているため、ますます人気が高まっています。パイプライン設計は本質的にSARのより洗練されたバージョンであり、次のような幅広いアプリケーションに適しています。

- 超音波医療画像
- デジタルビデオ
- ケーブルモデム、xDSLなどの高速インターネットシナリオ。

精度に関しては、解像度とサンプリング速度の組み合わせによって決まります。解像度によって、振幅の精度と丸め誤差（したがって量子化ノイズとベースラインの精度損失）が決まります。一方、サンプリング速度によってタイミングの精度と正確さが決まります (ソースが1秒間にサンプリングされる回数が多いほど、タイミングは正確になります)。ADC統計シートでは、全体的な精度と特定の量子化ノイズが「信号対雑音比」の行に記録されます。この値はできるだけ高くする必要があります (与えられたノイズ量あたりの信号パワーが高くなります)。

考慮すべきその他の項目

実用性を考慮することを忘れないでください。ADCユニットによって、以下の点が大きく異なります。

- 物理的サイズ
- 入力可能数
- 電力要件

たとえば、フラッシュADCは、多数のコンポーネントがサイズと消費電力に影響するため、ポータブル デバイスには適していません。ポータブル デバイスの構築を計画している人は、フラッシュADCよりも、より小型のデバイスと電源システムに適したものを検討する必要があるでしょう。同様に、多くのADCでは2つの入力しか許可されないため、アプリケーションで2つ以上の入力が必要な場合は、検索をマルチチャネルADCに限定することで時間を節約できます。

どのアーキテクチャを選択するかに関係なく、最小サンプリング周波数 (ナイキスト レートと呼ばれる) は入力の最大周波数の2倍以上である必要があることに注意してください。受信データの予想される頻度に基づいて、サンプリング レートが十分に高いことを確認する必要があります。