信号の分解：高分解能デルタ-シグマADC回路のリファレンス・ノイズの低減（第9部）

「信号の分解」シリーズの第8部では、A/Dコンバータ（ADC）のノイズとリファレンス・ノイズの関係を説明し、リファレンス・ノイズを求める計算式を導き、システムのリファレンス・ノイズのレベルに与えるゲインの影響を確認しました。

今回、第9部では、システム全体でこの影響を低減するための方法をいくつか分析し、リファレンス・ノイズについての説明をまとめていきます。低分解能ADCと高分解能ADCに対するリファレンス・ノイズの影響の違いも考察します。

リファレンス・ノイズの影響の低減

第8部で述べたように、データ収集システムに入るリファレンス・ノイズの量は、リファレンス電源のノイズ特性と、フルスケール範囲（FSR）の使用率に依存します。この使用率への依存を示すために、リファレンスが2.5Vと仮定し、ADCノイズ、リファレンス・ノイズ、および総ノイズをFSR使用率（入力電圧）の関数としてプロットしました。図1は、プログラマブル・ゲイン・アンプ（PGA）内蔵のTIの24ビット、デルタ-シグマADC『ADS1261』を使用して、この関係を表したプロット図です。

図1．FSR使用率の関数としてのADCノイズ、リファレンス・ノイズ、有効分解能

第8部のときと同じく、使用率40%でシステムの総ノイズに対してリファレンス・ノイズが支配的になり始め、高分解能ADCで得られるノイズ面のメリットがなくなります。この影響を緩和して高精度のシステムを実現するために、リファレンス・ノイズを低減しデルタ-シグマADCによるノイズ削減メリットを活かす3つの方法があります。

1. 低ノイズのリファレンスを選択する。システムに入るリファレンス・ノイズのレベルを低減する最も明白な方法の1つが、ノイズの少ない電圧リファレンスを選択することです。これにより、図1の赤色の棒の高さが抑えられ、有効なFSR使用率の上限を押し上げる効果があります。

しかし、第8部でも示唆したように、どの入力信号に対してもリファレンス・ノイズのレベルをADCノイズのレベルと一致させるようにしてください。例えば、『ADS1261』を使用して2.5Vの入力信号をサンプリングする場合には、1V/Vのゲインしか使用できません。このような場合、FSR使用率が非常に高いため、REF6025よりもノイズの少ない電圧リファレンスを選択しても、全体的なシステムのノイズへの影響はほとんどないでしょう（図1）。

1. リファレンス電圧を高くする。他にリファレンス・ノイズの影響を低減できる方法としてリファレンス電圧を上げることがありますが、それは使用率が変化するからです。例えば、リファレンス電圧を2倍にすると、使用率が1/2に減少します。ただしこの方法では、リファレンス・ノイズが比例して増加していない場合に限り、システム・ノイズのメリットが得られますが、常にそうとは限りません。多くのディスクリート電圧リファレンス・ファミリは、リファレンス・ノイズがリファレンス電圧に比例して増減するため、μV/Vでノイズを規定します。この場合、リファレンス電圧が2倍になるとリファレンス・ノイズも2倍になり、使用率が減少するにもかかわらずシステム・ノイズのメリットが得られません。
2. 有効ノイズ帯域幅（ENBW）を削減する。システムに侵入するリファレンス・ノイズの量を減らす3つ目の方法は、システムの全体的なENBWを制限することです。ENBWを制限する方法の1つは、アンチエイリアス・フィルタまたはリファレンス・フィルタのカットオフ周波数を下げることです。しかし、入力信号パス・フィルタにC0Gタイプのコンデンサを使用することをお勧めします。その理由は、C0Gの電圧と温度係数が低いためです。シグナル・チェーン設計で使われる標準的なC0Gコンデンサは最大10～15nFのものしか提供されていないため、アンチエイリアス・フィルタのカットオフ周波数の低さが本来的に限定されます。それとは逆に、リファレンス・フィルタでは、電圧リファレンスのDC出力電圧が実質的に一定のため、より高容量のX7Rタイプのコンデンサが利用できます。インピーダンスにより抵抗の熱ノイズが増加するので、どちらの種類のフィルタでも、低ドリフトで低インピーダンスの抵抗（10kΩ未満）を使用してください。場合によってはこの熱ノイズがシグナル・チェーンのノイズの支配的要素になることもあるからです。

システムのENBWを低減するさらに一般的な方法は、ADCの出力データ・レートを落とすことです。図2に、ADCの出力データ・レートを落とすと、ADCノイズとリファレンス・ノイズの両方がどれほど減少するかを示します。例えば、ENBW = 96Hz（右）からENBW = 0.6Hz（左）の間で、100%使用率の際のリファレンス・ノイズは2.3倍減少し、ADCノイズは10倍減少しています。その結果総ノイズが大幅に減少します。

図2．ENBWを制限することで総ノイズが減少：96Hz（右）、24Hz（中央）、0.6Hz（左）

上記の3つの方法を用いて多くのアプリケーションでリファレンス・ノイズを低減することができますが、システムによっては安定化時間やセンサの出力電圧などのパラメータが固定されている場合があり、これらの方法を採用するのが難しくなります。このようなケースでは、内部、外部、またはレシオメトリックといった適切なリファレンス構成を選択することで、システムに侵入するリファレンス・ノイズの量を低減することができます。

内部リファレンス

高精度ADCには、高精度電圧リファレンスが内蔵されていることがよくあり、通常は多くのアプリケーションに適しています。リファレンスが内蔵されていることで、外部リファレンスの場合にかかるコスト、面積、電力が削減できます。ただし、一般に内部リファレンスは高精度の外部リファレンスに比べて低電力であり、高ノイズ、高ドリフトの傾向があるので、正確さや高精度を重視したシステムにはあまり適さないでしょう。

図3に、測定のリファレンス電源として内部電圧リファレンスを使用し、抵抗性ブリッジを測定する『ADS1261』を示します。

図3．『ADS1261』の内部リファレンスを使用して抵抗性ブリッジを測定

外部リファレンス

内蔵の電圧リファレンスの仕様が不十分であり、ADCが外部リファレンス電源に対応できる場合は、代わりに外部リファレンスを選ぶことができます。一般に外部リファレンスは、内部リファレンスに比べて低ノイズでドリフト・パラメータ��良いという利点があります。このように性能が向上する代償として、消費電力やコストが上昇し、必要なプリント基板（PCB）面積が多くなります。また、ADCと電圧リファレンスが同じダイを共有しないため、内蔵リファレンス使用時とは異なり、温度ドリフト仕様が相関しなくなる可能性があります。そのため、ADCとリファレンスがそれぞれ逆方向にドリフトすると、精度が大きく低下しかねません。これを防ぐには、ADCと電圧リファレンスの両方を良質で熱伝導性のあるグランド・プレーンに接続してください。

ADCを外部リファレンス電源に接続する際の有効なヒントとして、ADCの負の外部リファレンス入力（REFN）を、PCBのグランド・プレーンに直接接続するのではなく、外部リファレンスのグランド・ピンに配線します。こうすると「スター型」グランド接続になるので、負のリファレンス入力でグランド・プレーンのノイズが拾われるのを防ぐことができ、精度の高い測定結果を維持できます。

図4は、図3と同じ抵抗性ブリッジの接続図ですが、『ADS1261』の内部リファレンスではなくREF6025電圧リファレンスを使用しています。

図4．『ADS1261』と外部リファレンス（REF6025）を使用して抵抗性ブリッジを測定

レシオメトリック・リファレンス

抵抗性ブリッジや測温抵抗体（RTD）での測定のようにセンサ励起が必要な場合は、レシオメトリック構成を使用してください。この構成では、アナログ入力とリファレンス電圧に同じ励起電源を使用します。その結果、励起電源のノイズやドリフトが測定とリファレンスに同等に影響することになります。ADCの出力コードは入力とリファレンスとの比なので、励起電源のノイズとドリフトが打ち消し合う傾向があり、そのためノイズ特性は入力を短絡した場合にかなり近くなります。一般的に、この構成では他の2つの構成と比べて総ノイズの量が最も低くなります。

レシオメトリック・リファレンスの主なマイナス面は、センサ励起が必要なアプリケーションにしか使用できないことです。したがって、センサ励起が必要ないシステムの場合、他の2つの構成のどちらかを選ばなければなりません。

図5は、図3および図4と同じ回路にレシオメトリック・リファレンス構成を使用したケースです。5Vのブリッジ励起電圧が『ADS1261』の外部差動リファレンス電圧（REFP - REFN）としても使われていることに注目してください。

図5．『ADS1261』とレシオメトリック・リファレンスを使用して抵抗性ブリッジを測定

 ここまでは、質的な面から、内部リファレンスよりも外部リファレンスの方がノイズ特性が良く、外部リファレンスよりもレシオメトリック・リファレンスの方がノイズ特性が良いということを説明しました。TIの24ビットADC『ADS1259』のデータシートを見れば、量的な面でも同じことが言えるのがわかるでしょう。図6に、3つの構成すべてについて測定されたノイズ特性を含む、『ADS1259』のデータシートからのプロット図を示します。

図6．『ADS1259』での内部、外部、およびレシオメトリックのリファレンス構成による総ノイズの増加を比較

V_IN = 0Vのとき、図6のプロット図から『ADS1259』の固有ノイズがほぼ0.5µV_RMSであることがわかります。100%使用率（V_IN = ±2.5V）のとき、内部リファレンスによりこのベースライン・ノイズが400%増の2.5µV_RMSに増加するのに対して、外部リファレンスREF5025では総ノイズは150%増の1.25µV_RMSです。この2つの曲線を、ほぼ平らなレシオメトリック・リファレンス曲線と比べてみてください。レシオメトリックでは100%使用率のとき総ノイズが50%しか増加しません。この構成では、総ノイズが大幅に増えることなく『ADS1259』のFSR全体を使用できるので、全体的なシステムのノイズ特性が最も良くなります。

この結論をすべてのデルタ-シグマADCに同じように当てはめられるでしょうか。これまでこのシリーズでは24ビットと32ビットのコンバータを取り上げ、電圧リファレンス・ノイズがこれらのデバイスに与える影響を深く理解するために分析してきました。一般に、これらの高分解能ADCは低ノイズのため、どんなリファレンス・ノイズでもシステム・ノイズに明らかな影響があります。では、低分解能ADCにはリファレンス・ノイズはどう影響するでしょうか。

低分解能ADCと高分解能ADCの比較

高分解能ADCでのリファレンス・ノイズの影響を測定するのに使用した原則は、同じく低分解能ADCにも当てはめることができます。これまでの例と同じ構成を使って、分解能の異なるADCにREF6025を接続し、100%使用率での総ノイズを測定することにしましょう。図7にこの構成を示します。

図7．ADS1262およびREF6025を使用したシステム構成

 図7に示したnビットADCとして、分解能の異なるADCを8つ選択します。表1は、分解能の関数としての各ADCのベースライン・ノイズの情報です。

表1．ADC分解能ごとのADCの固有ノイズ

 第1部で述べたように、低分解能ADCの総ノイズ（16ビット未満）では量子化ノイズが支配的なのが通常であり、その値は最下位ビット（LSB）サイズに相当します。逆に、高分解能ADCでは相対的に熱ノイズの量が多くなるため、18ビット、24ビット、32ビットのADCのノイズは、対応するLSBサイズより大きくなります。

100%使用率を想定したので、ADCと電圧リファレンスの合成ノイズを計算するには、それぞれのノイズの二乗和平方根（RSS）をとります。表2に、その両方からの総ノイズと、ADC単独のノイズと比較したノイズ増加率を示します。 

表2．ADC分解能ごとの総ノイズと増加率

表2には、低分解能ADCと高分解能ADCへのリファレンス・ノイズの影響の違いがはっきり示されています。おおよそ16ビット程度までは（表2の赤で塗りつぶされたセル）、REF6025のノイズは、100%使用率でもシステムの総ノイズに実質的にほとんど影響しません。これらの分解能の場合、ADCの高レベルの量子化ノイズが、低レベルのリファレンス・ノイズよりも問題になります。したがってこの場合は、とりわけシステムのコストやサイズが増加することと比較すると、低ノイズの外部リファレンスの利点がほとんど活かされません。実際に、このような理由から多くの低分解能ADCには外部リファレンス入力がなく、代わりに内部リファレンスに頼るか、電源電圧がこの機能を果たすこともあります。

だからといって、低分解能ADCを使うときにリファレンス・ノイズを気にしなくていいわけではありません。累積的な影響は、特定の電圧リファレンスのノイズ、システム帯域幅、および使用率によって変わります。ざっと計算を行って、外部部品がシステムに与えるであろう一般的な影響を判断するようお勧めします。

常にリファレンス・ノイズの影響が大きいのは、18ビット、24ビット、32ビットの高分解能ADCの場合です（表2の青で塗りつぶされたセル）。これらのADCすべてで、ADC単独と比較してノイズが大幅に増加します。ADCの分解能が増加するほどこの結果がより明白になり、32ビットADCではリファレンス・ノイズだけで553%と信じられないほどノイズが増加します。高分解能のレベルでは、この記事で述べたノイズを低減する方法を用い、適切なリファレンス構成を選択することが、高精度の測定を維持するうえで非常に重要です。

高精度ADCへのクロックの影響については、「信号の分解」シリーズの第10部をご覧ください。

重要ポイントのまとめ

電圧リファレンスのノイズがデルタ-シグマADCに与える影響を理解する際の重要ポイントをいかにまとめました。

• リファレンス・ノイズの低減
  • 低ノイズのリファレンスを使用する
  • ENBWを低減する
  • リファレンス電圧を高くする（ただしリファレンス・ノイズがそれに比例して増加しない場合に限る）
  • レシオメトリック構成を使用する
  • リファレンスのノイズ特性がADCのノイズ特性と近くなるようなリファレンス構成を選択することで、システムのノイズ特性を最適化する

著者紹介

Bryan Lizon（Texas Instruments）

※すべての登録商標および商標はそれぞれの所有者に帰属します。
※ご質問はE2E Support Forumにお願い致します。