従来、パイプライン アナログ - デジタル コンバータ (ADC) は、高速データ取得、閉ループ制御、デジタルX線、赤外線および医療用画像処理、厚度計、分光測定、サイトメトリーなどの多くの低ノイズ、高直線性サンプリング アプリケーションで広帯域信号をデジタル化する唯一のオプションでした。
現在、Analog DevicesのPower by Linearは、 LTC2387-18 18ビット15Msps ADCにより、これらのアプリケーションに逐次比較レジスタ (SAR) アーキテクチャの利点をもたらします。
図1: LVDSインターフェースを備えたLTC2387-18 15Msps SAR ADC
LTC2387-18はパイプラインADCに比べて多くの利点があり、従来パイプラインADCのパフォーマンスに依存していたアプリケーションで大幅なパフォーマンスの向上を実現できます。
SARまたはパイプラインコンバーター?
アナログ - デジタル コンバータの設計には、主な目標 (高解像度、高速、低消費電力) に応じて、一連の妥協が必要になります。
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。SARアーキテクチャとパイプライン アーキテクチャは、kHzからMHzの範囲のサンプリング レートと最大20ビットの解像度を備えた産業、計測、医療アプリケーションで最も人気のある2つの選択肢です。
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、低速のデルタシグマ アーキテクチャと、高速、低パフォーマンスのパイプライン アーキテクチャ間の移行を実現します。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、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てサンプリング速度を向上させます。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ります。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。
LTC2387とLTC2269の性能比較
LTC2387-18 のパフォーマンスは、同等のパフォーマンスを持つパイプライン コンバータと比べてどうですか?図2は、LTC2387-18と16ビット、20Mspsパイプライン コンバータである LTC2269 の主な仕様の比較を示しています。
図2: LTC2387-18とLTC2269の性能比較
LTC2387-18の利点
LTC2387-18には多くの利点があります。
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レイテンシ: パイプラインADCでは、複数サイクルのレイテンシが発生します。LTC2387のSARアーキテクチャには、レイテンシやパイプライン遅延がありません。これは、アナログからデジタルへの変換が負帰還システムの一部である閉ループ制御アプリケーションでは特に重要です。遅延のないADCを使用すると、帯域幅が広くなり、フィードバック応答が速くなります。
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DC精度: LTC2387-18は、優れたINLおよびオフセット誤差性能を提供します。LTC2269は競合製品よりも優れたDC性能を備えていますが、パイプラインADCはプロセスの不完全性の影響を受けやすく、ゲイン、オフセット、その他のパラメータに非線形性が生じる可能性があります。
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SN比: LTC2387-18は、8.192Vp-pの広い入力範囲により、同様のサンプリング レートを持つ最高のパイプラインADCと比較して、少なくとも10dBのSNRの利点をもたらします。これは画像処理アプリケーションでは特に重要です。リニアアレイイメージセンサーは連続画像をキャプチャし、産業用検出器、航空写真、衛星画像撮影に広く使用されています。このようなアプリケーションでは、検出効率を向上させたり、高速で移動する物体を捕捉したりするために、高速スキャンが必要です。キャプチャする画像には、明るい光と暗い光の対象物が含まれる場合があり、90 dBを超えるダイナミック レンジが必要になります。LTC2387-18のSNRとSINADの数値は、図3に示すように、ナイキスト周波数までの高サンプリング レートでも良好に維持されます。このパフォーマンス上の利点は、競合するSAR ADCとの違いです。
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1/fノイズ: これはデータシートに具体的に記載されておらず、測定が非常に困難ですが、LTC2387アーキテクチャによりオフセット エラーが大幅に削減されます。これにより、1/fノイズも大幅に低減されます。一般に、パイプラインADCでは1/fノイズが増加します。
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レイアウト感度: パイプライン コンバータのパフォーマンスは、他のアーキテクチャよりもPCBレイアウトに大きく依存します。
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パッケージサイズ: LTC2387-18は5x5 QFN-32パッケージで提供されます。パラレル インターフェイスを備えたLTC2269には、より大きな7x7 QFN-48パッケージが必要です。LTC2269のデュアル チャネル バージョンはシリアルLVDS出力 (LTC2271) を備えており、省スペースの7x8 QFN-52パッケージで提供されます。
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図3: ナイキスト周波数までの高速入力におけるLTC2387-18のSNRとSINAD性能ええ
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SNR (信号対雑音比) は、RMS入力信号と、信号高調波を除く他のすべてのスペクトル成分のRMS合計との比であることに注意してください。SINADは信号対（ノイズ + 歪み）の比として定義され、測定にはノイズと信号の高調波の両方が含まれます。どちらの比率にもDCは含まれません。これらの高調波項が含まれるため、高入力周波数ではSINADはSNRよりも急速に低下します。一般に、SINADは、アンダーサンプリング アプリケーションでのパフォーマンスの指標として、特に第1ナイキスト ゾーンを超える高周波入力に対してより重要になります。SNRとSINADは両方ともフルスケール入力で測定されます。
LTC2269の利点
ただし、LTC2269にはいくつかの点で利点があります。
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消費電力: LTC2387-18は、同じサンプル レートの類似のパイプラインADCよりも多くの電力を消費します。消費電力を抑えるために、設計者はLTC238x製品ファミリから、サンプル レートが低いピン互換部品を選択できます (以下を参照)。
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入力ドライブ: LTC2387-18が優れたSNRを実現するには、アナログ入力信号をスケーリングして、 ±4.096V入力レベルを最大限に活用する必要があります。LTC2269のフルスケール入力は1.05Vです。 ±信号不一致のあるアプリケーションでは、追加のフロントエンド ドライバ ステージが必要になる場合があります。
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より高いナイキスト ゾーン性能: パイプラインADCに対するLTC2387-18の利点は、最初のナイキスト ゾーン、つまりサンプリング周波数の半分以下の入力帯域幅でのみ有効です。パイプラインADCは、アンダーサンプリング アプリケーションで2次以上のナイキスト ゾーンのアナログ信号をデジタル化するのに適しています。LTC2269の場合、入力帯域幅を制限することで高いSNRを提供するように設計されており、アンダーサンプリング アプリケーションには適していません。
アプリケーションの考慮事項
LTC2387-18 データシート にはアプリケーション情報に関する詳細なセクションが含まれていますが、ここではこの部品の主な差別化機能の一部を紹介します。
シリアルインターフェース
LTC2387-18は、シリアル低電圧差動信号 (LVDS) インターフェイスを使用して、出力データを下流のFPGA、マイクロコントローラ、またはDSPに送信します。これにより、プロセッサのI/Oが節約され、システム内のデジタル ノイズも削減されます。
低速FPGAとの容易なインターフェースのために、LTC2387は2つのLVDSデータ レーン上で出力をストリーミングできます。最大データレートは800Mbpsです。2レーン モードでは、最小データ レートはレーンあたり180 Mbpsですが、1レーン モードでは360 Mbpsになります。
LTC2387-18の駆動
LTC2387-18は完全差動 ±4.096Vの入力範囲を備えています。IN+ ピンとIN- ピンは、共通モード電圧レベルVCM = (IN+ + IN- )/2を中心に、互いに180o位相がずれて駆動される必要があります。
低インピーダンス ソースはゲイン エラーなしで高インピーダンス入力を直接駆動できますが、最高のパフォーマンスを得るにはバッファ アンプを使用する必要があります。アンプは出力インピーダンスが低く、アナログ信号の高速セトリングを可能にします。また、入力が駆動回路上のスイッチド コンデンサ負荷としてモデル化される場合、各取得フェーズの開始時に信号ソースとADC入力によって引き込まれる電流スパイク間の分離も提供します。
図4: 一般的な入力駆動回路
この目的には、 LT6200 超低ノイズ オペアンプが推奨されます。これは、レールツーレール入力と出力、および0.95nV/√Hzのノイズ電圧を備えたシングル オペアンプです。LT6200は、非常に低いノイズと165MHzのゲイン帯域幅、50V/µsのスルー レートを組み合わせ、低電圧信号調整システム向けに最適化されています。
RCフィルタのフィルタ コンデンサと抵抗の値はアプリケーションによって異なります。図4に示す抵抗値は、広範囲の条件で良好な性能を発揮します。CFILTの値にはトレードオフが存在します。値が大きいほどノイズ性能が向上し、値が小さいほどフルスケール誤差が改善されます。LTC2387-18データシート のグラフには、サンプリング レートに基づく代表的な値が示されています。
CFILTコンデンサが可能な限り一致することが重要です。抵抗器とコンデンサは歪みを追加する可能性があるため、設計では金属皮膜抵抗器やゼロドリフトセラミック (NPO) または銀マイカコンデンサなどの高品質のコンポーネントを使用する必要があります。
内部電圧リファレンス
コストを節約するために、LTC2387-18には、保証された0.25% の初期精度と ±20ppm/°C (最大) の温度係数を備えた高精度の内部2.048Vリファレンスと、内部リファレンス バッファが含まれています。
内部リファレンスはほとんどのアプリケーションで十分ですが、より高い精度が必要な場合は、 LTC6655 が推奨されます。これは、2ppm/°C未満のドリフトと、-40 ±C ～ 125°Cの全温度範囲にわたって0.025% の出力電圧精度を実現する低ノイズ高精度リファレンスです。°
LTC2387-18によるオーバーサンプリング
多くのアプリケーションでは、数kspsのサンプリング レートしか必要としませんが、非常に高い信号対雑音比が必要になります。
たとえば、脳波計では、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。
このようなアプリケーションでは、下流のプロセッサで複雑なデジタル フィルタリングを実行するために、比較的低速または狭帯域のアナログ信号をオーバーサンプリングすることが、ADCの有効ビット数 (ENOB) を増やしてSNRを高める一般的な方法の1つです。
理想的なADCのSNRは、よく知られた次の式で表されます。
SNR (dB) = (6.02 * ENOB) + 1.76
必要な解像度の各追加ビットごとに、信号を4倍にオーバーサンプリングする必要があります。
ふOS = 4わ * ふS
どこ わ 必要な追加ビット数、 ふS は元のサンプリング周波数であり、 ふOS オーバーサンプリング周波数です。
ノイズは、対象の周波数帯域にわたって均一なパワー スペクトル密度を持つホワイト ノイズに近似する必要があり、その振幅は、連続するサンプル間で入力が少なくとも1 LSBランダムに変化するほど大きくなければなりません。
これらの制約を考慮すると、LTC2387-18のサンプリング レートは、kHz範囲の入力帯域幅でアナログ入力をオーバーサンプリングするのに最適であり、ノイズ性能がさらに向上します。
図5: LTC 238xファミリーのメンバー
LTC238xファミリーはさらなる設計柔軟性を提供
システム設計者は、アプリケーションに合わせてADCのパフォーマンスを微調整できます。LTC238xファミリのピン互換デバイスを組み合わせることで、商用および産業用温度範囲の両方で16ビットまたは18ビットの解像度が実現します。設計者は、5Mspsまたは10Mspsのサンプル レートを選択することで、必要な解像度で消費電力を削減できます。図Xからわかるように、同じサンプル レートで16ビットから18ビットの解像度に移行しても、電力ペナルティは発生しません。
デザインサポート
LTC2387-18の評価は、図6に示す関連デモボードDC2290A-Aを使用すると簡単になります。DC2290A-Aは、PScopeのデータ収集ボード（DC718）と組み合わせてLTC2387-18のAC性能を実証します。™ USBベースの製品デモンストレーションおよびデータ収集システム。
図6: LTC2387-18用DC2290A-Aデモボード
必要に応じて低レベルの差動信号の増幅を提供する差動アンプ デモ ボードは別売りです。この目的には、DC2403A ADCドライバ ボードが推奨されます。あるいは、DC2290Aを顧客アプリケーションに接続することで、その回路でLTC2387のパフォーマンスを直接評価できます。
Analog DevicesのPower by Linearは、DC718用のPScopeソフトウェアを含むさまざまな無料のデータ取得および分析ツールを提供しています。
その他のLTC238xファミリ メンバーについては、下の図に従って適切なデモ ボードの組み合わせを選択してください。
図7: LTC238xファミリのデモボードとドライバボードのオプション
結論
の LTC2387-18 は、15Msps、18ビットの逐次比較レジスタ (SAR) アナログ - デジタル コンバータ (ADC) であり、ナイキスト周波数までのパイプライン コンバータと比較して、最大20dBのSNR改善、非常に低い歪み、サイクル レイテンシなし、パイプライン遅延なしなど、優れたパフォーマンスを提供します。
通信、高速画像処理、医療機器、ATEなど、さまざまなアプリケーションで広帯域アナログ信号をデジタル化するのに最適です。これは、遅延のない操作により高い帯域幅とより高速な応答が得られる高速制御ループを閉じるのに特に適しています。