今日、精度 アナログ-デジタルコンバーター（ADC） 市場は、高いダイナミック レンジ、高精度のDCパフォーマンス、および手頃な価格により、主にデルタ シグマADCによって支えられています。デルタシグマADCは、設計上、デルタシグマ変調器とそれに続くデジタル デシメーション フィルタを使用して入力信号をオーバーサンプリングするため、ノイズは低くなりますが、出力データ レートは低くなります。オーバーサンプリングのもう1つの利点は、デジタル フィルタを使用して通過帯域の周波数応答を決定することで、外部アナログ アンチエイリアシング フィルタを大幅に簡素化できることです。
アナログデバイスPower by Linearの最新のSAR ADCテクノロジーは、高いサンプル レートとレイテンシのない動作を維持しながら、DC仕様 (INL、DNL、オフセット、ゲイン エラー、安定性) の点で最高のデルタ シグマADCに匹敵する、より高いパフォーマンスを高精度アプリケーションにもたらします。高速サンプリングSAR ADCは、低帯域幅の信号をオーバーサンプリングするためによく使用されます。従来のオーバーサンプリングでは、デシメーション フィルター (ローパス フィルター + ダウンサンプリング) を使用できるため、システムのダイナミック レンジが拡大します。オーバーサンプリングのもう1つの利点は、アナログ アンチエイリアシング フィルターの要件が緩和されることです。オーバーサンプリングがない場合、アナログアンチエイリアシングフィルタには急峻なロールオフ（急峻な遷移帯域）が必要となり、複雑さが増します。あるいは、オーバーサンプリングを使用すると、単純な低次アナログ フィルターをデジタル フィルターと組み合わせて使用し、非常に急峻なロールオフを持つ混合モードの同等のアンチエイリアシング フィルターを作成できます。ただし、このフィルタリング タスクの負荷がホスト プロセッサにかかるため、ADC出力からより高速な速度でデータを取得するには、より高速なプロセッサが必要になります。
これらの理由から、Analog DevicesのPower by Linearは、高精度市場に対して独自のSAR ADCアーキテクチャの高精度と高速性を統合デジタル フィルタと融合するという異なるアプローチをとっています。 最新製品は LTC2508-32 と LTC2512-24です。LTC2508-32は、低帯域幅の高精度アプリケーション向けに最適化された、ピン設定可能なデジタル フィルタを内蔵した32ビット1Msps SAR ADCです。LTC2512-24は、高帯域幅アプリケーション向けに最適化された統合フィルタを備えた24ビット、1.6Msps SAR ADCです。LTC2508-32は、最も遅い出力レート61spsで145dBという優れたダイナミック レンジを実現します。一方、LTC2512-24は、50kspsの出力レートで117dBを目標としています。
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デルタシグマADCの重要な側面は、変調器の出力が直接使用できないことです。つまり、これは整形された量子化ノイズと非常に低いSNRを持つ低解像度信号です。デルタシグマ変調器の量子化ノイズを形成するためにさまざまな技術が使用され、ノイズをより高い周波数に押し上げてフィルタリングしやすくし、目的の信号がフィルタの通過帯域内のより低い周波数を占めるようにします。次に、変調器の出力はローパス フィルタリングされ、使用可能な変換結果が生成されます。しかし、デルタシグマ変調器は、そのアーキテクチャの性質上、出力スペクトルにスプリアストーンが発生します。どれだけ努力しても、変調器からのスプリアストーンが通過帯域に現れる可能性があります（実際に現れます）。
これらのスプリアスが存在する場合、小さな信号を探すことはほぼ不可能です。逐次比較レジスタ (SAR) ADCにはこの欠点がなく、ほぼ理想的なホワイト ノイズ電力スペクトルを備えています。これにより、非常に低いエネルギー レベルでの音や振動の検出には、SAR ADCがより適した選択肢となります。しかし、多くのSAR ADCでは、16 ～ 18ビット レベルでのDC伝達関数の不連続性が依然として発生し、DCパフォーマンスが低下します。
LTC2508-32 および LTC2512-24 は、欠損コードがゼロで、良好な直線性特性を備えています。これにより、アプリケーションはフィルタリングされた出力データの膨大なダイナミック レンジを最大限に活用できるようになります。
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LTC2508-32は、ノイズ スペクトル密度がわずか22nVRMS/√Hzであり、24ビットまたは32ビットの解像度で競合ADCソリューションの中で最も低いノイズ性能を実現します (図1)。デルタシグマ変調器の出力とは異なり、このAnalog DevicesのPower by Linear SARコンバータの出力は、ノイズ電力スペクトル密度がフラットで、対処すべきトーンがありません。これは、デジタル フィルタが、変調器のノイズやトーンをフィルタリングするのではなく、最終アプリケーションの要件に合わせて任意に設計できることを意味します。LTC2508-32フィルタは「spread-sinc」アーキテクチャであり、ストップバンド除去とセトリング時間の間で慎重に選択されたバランスを実現します。LTC2512-24デジタル フィルタは、fo/4 (ナイキスト ゾーンの半分) まで拡張された「妥協のない」0.001dB通過帯域平坦性を備えています。LTC2512-24フィルタの遷移ゾーンとストップバンド減衰は、多くのデルタ シグマ フィルタよりも緩やかであるため、安定が速くなり、時間領域のアーティファクトが小さくなります。もう一度言いますが、このようなフィルターが実用的なのは、トーンがないからです。
LTC2508-32にはピン選択可能なデシメーション フィルタが4つあり、その特性は表1に示されています。4つの異なるデシメーション フィルタにより、設計者はアプリケーションの選択に応じてノイズと帯域幅の間でトレードオフを行うことができます。LTC2508-32の各構成では、デジタル フィルタは線形位相応答を備えたローパス有限インパルス応答 (FIR) フィルタです。デジタル フィルタの出力は、対応するダウンサンプリング係数 (DF) によってダウンサンプリングされます。したがって、結果として得られる出力データレート（fO）は、fSMPL/DFに等しくなります。各デシメーション フィルタの選択肢において、-3dB帯域幅は選択したDF値に反比例します。各構成では、fO /2およびfSMPL – fO /2の範囲の周波数に対して、最小80dBの減衰が提供されます。ダウンサンプリング係数が4倍増加するごとに、ADCのダイナミック レンジは約6 dB増加し、DF = 256でのダイナミック レンジは131 dBから、DF = 16384でのダイナミック レンジは145 dBまで増加します。これは、有効ビット数 (ENOB) 24ビットに相当します。ADCの結果は、量子化ノイズではなく、熱ノイズなどの品質ノイズ プロセスによって制限されることが重要です。つまり、ADCはENOBよりも少なくとも数ビット多く提供する必要があり、32ビット出力ワードを持つLTC2508-32は、整数バイトを使用してフィルタリングされたデータを表すのに十分なビット数を提供します。
表1: LTC2508-32のフィルタ特性
LTC2508-32の出力は、DFに関係なく、常に10出力サンプルで完全に安定します。ダウンサンプリング係数が増加すると、帯域幅が減少し、ノイズが制限され、結果としてダイナミック レンジが増加します。 ダウンサンプリング係数が256の場合、フィルタリングされた出力の -3dB帯域幅は480Hzとなり、出力データ レートは3906spsになります。DFが16384と最も高い場合、-3dB帯域幅は7.5Hzと狭くなり、ノイズのフィルタリングが最大限に行われ、出力データ レートは61spsと最も低速になります。
図1: LTC2508-32のステップ応答
さらに、LTC2508は、デュアル データ出力ストリーム、入力信号の32ビット デジタル フィルタ バージョン、およびフロントエンドSARコンバータからの遅延のない22ビット複合出力を直接提供します。遅延なし出力ワードは、差動入力を表す14ビット コードと、入力コモン モード電圧を表す8ビット コードで構成されます。遅延のない出力は、入力信号を高速に追跡し、変化する負荷条件に対する即時のフィードバックを提供する制御アプリケーションで特に役立ちます。また、デジタル フィルタによって隠れている可能性のある、ノイズが多すぎる信号や振動する信号を検出することにより、入力信号の品質を監視し、システム障害を示すためにも使用できます。この情報は、予知保全のために8ビットの共通モード値と組み合わせて使用できます。 共通モード電圧の変化は上流のトラブルを示し、機器の故障につながる可能性があります。設計者にとって、これは2つのADCが1つにまとめられているように見え、不一致やドリフトの問題が発生しない、入力信号の完全に一致した表現を提供します。
LTC2512-24は、表2に示すように、4つのピン選択可能なデシメーション フィルタを備え、LTC2508-32と多くの類似点を備えています。図2は、DCから出力データ レートfO までのデジタル フィルタの振幅応答を示しています。4から32までのダウンサンプリング係数がサポートされており、ダウンサンプリング係数が2倍増加するごとにダイナミック レンジが3dB向上します。LTC2512-24には同じ22ビットの複合コード出力があり、入力信号のほぼ理想的なリアルタイム表現を提供します。LTC2512-24の場合、出力は常に35出力サンプルで完全に安定します。
表2. LTC2512-24のフィルタ特性
図2: LTC2512-24デジタル フィルタの周波数応答の振幅。fO = fSMPL/ DF
LTC2508-32は、ADCがノイズに埋もれた極めて低レベルの信号を解像する必要がある地震学アプリケーションや石油・ガス探査に最適です。LTC2512-24のより広い帯域幅と平坦な通過帯域は、フィルタリングされた出力の高ダイナミック レンジのメリットを享受しながら、プローブの位置などのリアルタイム情報に遅延のない出力を利用するEKGなどの医療機器に適している可能性があります。これらのADCは、低速のフィルタリングされた出力ではすぐには確認できない入力信号の変化にすばやく反応する必要がある制御ループを使用するあらゆる高精度アプリケーションに最適です。このファミリーに関する詳しい情報は arrow.comでご覧いただけます。