高解像度または高周波数ADCの選択

次に設計するデジタルシステムは、センサーや無線を通じてアナログ世界とのインターフェースを持つことになるでしょう。システム設計者で、統合ADCを搭載したSoCやMCUを使用しない予定の場合、適切な高解像度または高周波数ADCを選択することで、より高価なシステムと同等の性能を実現できます。解像度とサンプリングレートの間には一般的にトレードオフがありますが、ニーズを満たす市場のオプションは豊富にあります。

サンプリングレートと解像度

ADCの市場を見ると、周波数と解像度の間にトレードオフが存在します。解像度とは、アナログ信号の電圧レベルをエンコードするために使用されるビット数を指します。ビット深度が高いほど、時間をかけてアナログ信号の挙動をより良く表現できます。例えば、正弦波信号を扱うことがわかっている場合、解像度を低くしても、いくつかのデジタル信号処理技術を使用して不足情報を補正することができます。光パワー測定のような低周波での高精度測定には、サンプリングレートをあまり気にせずにできるだけ高解像度のADCを選びたいところです。

これをサンプリングレートと比較してみましょう。サンプリングレートとは、単位時間あたりにADCで収集されるデジタル信号の数です。高周波信号をデジタル数値に変換するために使用するADCを選択する場合、ナイキスト定理のおかげで、より高いサンプリングレートのADCを使用する必要があります。ADCのサンプリングレートは、ADCで測定したい周波数の少なくとも2倍であるべきです。特定の周波数帯域で作業している場合は、希望する帯域の高い端の周波数に基づいてADCを選択するべきです。

RFトランシーバーモジュールやSoCは、無線システムの受信側でアナログ信号を収集するために統合されたADCを一般的に含んでいます。センサーノード用のマイクロコントローラーなど、他のデバイスからアナログ測定値を収集し、いくつかのデジタルデータを処理する必要があるアプリケーションもあります。どちらの場合でも、アナログ世界とインターフェースするために設計されたデバイスは、SoCに統合されているか独立したICとして、少なくとも1つのADCを必要とします。

高周波ADCの選択

サンプリングレートと解像度に加えて、設計者はADCを選択する際に以下のような側面も考慮するべきです：

• 帯域幅。 他のコンポーネントと同様に、帯域幅はADCが使用できる周波数範囲を決定します。無線アプリケーションやチャープレーダーシステムを扱っている場合、システムで使用する予定の周波数帯を少し超える範囲をADCがカバーしている必要があります。これは、複数の周波数成分で分解できる複雑な信号をサンプリングする際に、エイリアシングを避けるために特に重要になります。
• チャネル数。 いくつかのADCは、複数の信号を1つのICで変換するための内部マルチプレクサーと複数のチャネルを含んでいます。これにより、SoCやマイクロコントローラーにデフォルトで依存することなく、カスタムシステムを構築できます。
• 消費電力と温度安定性。 これは実質的にアプリケーションの使用範囲を決定します。
• RMSノイズ。 これは出力デジタル信号のエラーレベルを決定します。この値は通常、高解像度ADCではnVのオーダーです。理想的には、この値はシステムのノイズフロアよりも低いべきです。

Texas Instruments, ADS1262IPWR

ADS1262IPWR ADCは、7 nVの低RMSノイズと50/60 Hzのノイズリジェクションで最大130 dbを提供する11チャネルデバイスです。32ビットの解像度を持つこのADCは、単一のユニットで複数のアナログ信号の正確な測定を提供します。このADCは、TSSOP-28パッケージで2.5 Spsから38.4 kSpsまでの可変サンプリングレートを持っています。高サンプリングレートでも消費電力は低いです。このADCは、アナログ計測器からの精密測定を収集するための良い選択です。下の回路は、温度補償されたブリッジ測定回路の例を示しています。

データシートからのADS1262IPWRを使用した温度補償ブリッジ測定の例。

Texas Instruments, ADC12J4000NKET

ADC12J4000NKET 12ビットADCは、最大4 GSpsの高サンプリングレートを提供します。これは、無線信号やその他のRF信号の受信と変換を必要とするカスタムシステムに適しています。このADCは低電圧（1.2から1.9 V）で動作し、4 GSpsで2 Wの電力を消費します。この特定のADCは1チャネルのみで動作するため、センサーノードアプリケーションにはあまり適していません。いくつかの例としては、RFサンプリング機器、軍事通信、低周波レーダーとLIDAR、RFテスト/測定機器があります。

データシートに記載されているADC12J4000NKET ADCの挿入損失。

Analog Devices, AD9680BCPZ-1000

AD9680BCPZ-1000 14ビット、デュアルチャネルADCは、サンプリングレート、解像度、およびチャネル数の間でより良い妥協を提供します。このADCは、両チャネルで差動入力を用いて最大サンプリングレート1 GSpsで動作します。また、広範囲の温度とサンプリングレートで約3 Wの合理的な電力消費を実現しています（下記参照）。この製品はSPIインターフェースを使用して設定することもできます。4つの統合された広帯域デシメーションフィルターとNCOブロックを使用して、多様なアプリケーションに適応可能なマルチバンドレシーバーをサポートします。

AD9680BCPZ-1000の電力出力、AD9680BCPZ-1000データシートより

アナログアプリケーションが再び注目されており、デジタル世界とのインターフェースを実現したい場合は、システムに少なくとも1つの高解像度または高周波ADCを含める必要があります。次のシステムに適したADCを探している場合は、パーツセレクターガイドを使用して、次の製品に最適なオプションを決定してみてください。

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