ADCアンプ回路の概要

A/Dコンバータ (ADC) は、アンプ回路の性能と機能に大きく依存します。本セクションでは、使用されているさまざまな種類のアンプを紹介し、ADC内のアンプ回路の機能と意義について紹介します。

役割と重要性

シグナルコンディショニング: シグナルコンディショニングは、ADCの増幅器回路の主な機能の1つです。デジタル化に理想的ではないかもしれない低振幅信号は、ADCによって頻繁に処理されます。これらの信号の振幅は、デジタル化に適したレベルまでアンプによって上げることができます。

インピーダンスマッチング: ADCへの入力信号のインピーダンス特性が異なる場合があります。最適な電力伝送を確保し、信号反射を低減するために、アンプはADCの入力インピーダンスを信号源のインピーダンスと一致させるのに役立ちます。

ノイズリダクション: 信号対雑音比 (SNR) は、ノイズが顕著な効果をもたらす前に信号振幅を上げるために、ノイズ指数の低いアンプを使用することで向上することができます。

線形化: デジタル化の前に、入力信号は何らかの目的のために線形化されなければなりません。信号を線形化するために、アンプを使用して必要なゲインまたは減衰を提供することができます。

フィルタリング: コンデンサやインダクタのようなリアクタンス部品をアンプと組み合わせて使用し、入力信号の特定の周波数帯域を選択的に増幅するフィルタを作成することができます。これはADCのアンチエイリアシングに不可欠です。

絶縁: 一部のアプリケーションでは、ADCからの信号源の電気的絶縁が必要です。潜在的に有害な信号からのADCのこの分離と防御は、アンプによって提供される場合があります。

使用されているアンプの種類

オペレーショナルアンプリファイア (オペアンプ) : オペレーショナルアンプリファイア (オペアンプ) はアナログ電子機器の主流であり、ADCでよく見られます。それらは、微分回路、積分回路、反転回路、非反転回路など、様々なトポロジーで構成される可能性があります。

計装アンプ: 試験および測定装置で使用するために特別に設計された精密な増幅器は計装アンプとして知られています。差動入力信号を増幅する必要がある場合、入力インピーダンスが高く、同相信号除去比 (CMRR) が優れているため、これらのデバイスが使用されます。

差動アンプ: 2つの入力信号間の差は差動アンプを用いて増幅されます。関心のある信号がより大きな同相電圧の上にある小さな電圧である場合、これは特に役に立ちます。

バッファアンプ: バッファアンプは電圧フォロワとも呼ばれ、段を分離して負荷を停止する効果があり、これは負荷インピーダンスがソースに影響を与えた結果です。関連する負荷のインピーダンスのために、この現象はソースの電圧または電流に変化を引き起こす可能性があります。信号源に影響を与えずにADCの入力を駆動するために、バッファアンプが頻繁に使用されます。これにより、荷重効果の影響が減少または完全に排除されます。望ましくない歪みや減衰がなく、これにより信号はステージ間で正確に伝達されます。

プログラマブルゲインアンプ (PGA): PGA (プログラマブルゲインアンプ) は、外部信号を使用してゲインを制御できるアンプです。入力信号の振幅が大きく異なるアプリケーションでは、PGAが使用されます。

トランスインピーダンスアンプ: これらの増幅器は、フォトダイオードアプリケーションのように信号源が電流である場合に不可欠です。これは電流を電圧に変換します。

可変ゲインアンプ (VGA): 可変ゲインアンプ (VGA) は連続したゲイン制御が必要なアプリケーションで使われます。PGAに似ていますが、アナログゲイン制御があります。

オフセットとゲインの調整

オフセットと利得は、デジタル化された信号の精度と完全性に大きな影響を与えるADCおよび増幅器回路の場合に重要な変数です。最高のパフォーマンスを得るためには、これらのパラメータを適切に調整する必要があります。このセクションでは、オフセットおよびゲイン調整の方法と、それらがADCでどのように使用されるかについて説明します。

オフセット調整技術

手動オフセット調整: これは、ポテンショメータまたはDAC (デジタル / アナログコンバータ) を使用して入力信号に固定電圧を追加または除去することで達成されます。この手順は簡単ですが、部品の値は時間の経過とともに再較正する必要がある場合があります。

オートゼロ設定: この方法のアンプは、較正フェーズ中に入力から短時間分離され、コンデンサを介してグランドに接続されます。この方法はオートゼロ設定と呼ばれます。オフセット電圧が検出され、測定され、コンデンサに保存されます。通常の動作時には、コンデンサはオフセットを補正します。

デジタルオフセット補正: この技術は、ADCの出力をデジタル処理して測定されたオフセットを取り出すことを含みます。この方法はデジタル的に適用され、DSP (デジタル信号プロセッサ) を備えたシステムで最もよく機能します。

ゲイン調整技術

可変抵抗器: オペアンプのゲインは、フィードバックチャンネルにポテンショメータを追加することによって手動で変更することができます。この手順は単純ですが、温度や時間的に安定していません。

プログラマブルゲインアンプ (PGA): プログラム可能なゲインを持つデジタル制御アンプはPGAとして知られています。可変入力レベルのADCアプリケーションでは、入力信号の振幅に応じて動的にゲインを変更するために使用できます。

基準信号を使用した較正: この手順では、既知の基準信号がシステムに導入され、出力が希望の値と一致するまでゲインが調整されます。手動またはソフトウェアでこれを行うことができます。

ADCでのアプリケーション

ダイナミックレンジの最適化: オフセットとゲインを適切に調整することで、入力信号がADCのスケール全体をフルに活用できるようになり、ダイナミックレンジと変換分解能の両方が最適化されます。

センサ変動の補正: センサの出力レベルは頻繁に変動します。アンプのオフセットとゲインを調整することで、この変動を相殺し、ADCの一貫した出力を保証することができます。

精密測定: 精密測定の場合は、デジタルデータがアナログ入力を正確に反映することを保証することが重要です。オフセットとゲインの調整は、システムの較正に役立ち、誤差を減らし、精度を向上させます。

環境変化への適応: 特定のアプリケーションでは、温度などの環境要因がゲインとオフセットに影響を与える可能性があります。これらのパラメータを継続的または定期的に微調整することにより、システムは変化する条件に直面しても性能を維持することができます。

入力バッファ

ADC回路における入力バッファ (バッファアンプとも呼ばれる) の目的は、さまざまなシステムの段間のインピーダンスマッチング、電圧レベルシフト、信号分離を提供することです。

目的と機能

インピーダンスマッチング: 多くのADCアプリケーションでは、信号の劣化を防ぐためにインピーダンスマッチングを維持することが重要です。バッファアンプはソースに対して高いインピーダンスを示し、負荷に対して低いインピーダンスを示します。この特性は、信号を歪めたり弱めたりする可能性のある重大な負荷からソースを保護します。

電圧レベルのシフト: バッファアンプは電圧レベルの調整を行うこともでき、信号レベルをADCの入力範囲に合わせることができます。この機能は、ソースがADCの電圧レベルとは異なる電圧レベルで動作する場合に不可欠になります。

信号の絶縁: システム内の異なる部分を絶縁することで、バッファアンプはステージ間の不要な相互作用や混乱を効果的に阻止します。この絶縁により、一方の区間の運転が他の区間に悪影響を及ぼさないことが保証されます。

設計上の考慮事項

ADCアプリケーション用の入力バッファを開発または選択する場合は、以下の点を考慮します。

入力インピーダンス: ADCアプリケーション用の入力バッファアンプに関しては、高い入力インピーダンスを確保することが重要です。これにより、ソースへの過度な負荷を防止することができます。高い入力インピーダンスにより、ソースのインピーダンスに関係なく、信号電圧の大部分がバッファの入力にわたり維持されることが保証されます。

帯域幅: バッファが入力信号の周波数を正確に再現するためには、十分な帯域幅が必要です。帯域幅が不十分な場合、歪みや信号品質の低下につながる可能性があります。

ノイズ: バッファのノイズ性能はADCの全体的な性能に大きな影響を与える可能性があります。信号の完全性を維持するために低ノイズバッファを持つことが望まれます。ノイズを最小限に抑えることは信号品質を維持するために重要です。

安定性: ADC回路のバッファを扱う場合、安定性を確保することが最優先事項です。不安定性は望ましくない振動を引き起こし、ADCや他の部品に悪影響を与え、出力信号を歪める可能性があります。

消費電力: アプリケーションによっては、消費電力は設計プロセスにおいて重要な要素になります。例えば、バッテリー駆動の場合は、エネルギーを節約するために低電力バッファを採用する必要があるかもしれません。

入力バッファはADC回路において極めて重要な役割を果たし、インピーダンス整合、電圧レベル調整、信号絶縁などの利点があります。バッファの選択はADCの性能に大きく影響します。したがって、設計段階で入力インピーダンス、帯域幅、ノイズ、安定性、消費電力などの要因を考慮することが必要不可欠です。

フィルタリング

ADCの分野では、入力信号の前処理にフィルタが採用され、変換プロセスの前に特定の周波数の内容に対応します。多様な要件や仕様に対応するため、さまざまなフィルタのタイプが用意されています。

アンチエイリアシングフィルタ

ADCにおけるフィルタの主要な役割の一つは、アンチエイリアシングフィルタとして機能することです。これらのフィルタは一般にADCの前に配置されるローパスフィルタです。その主な目的は、ナイキスト周波数 (サンプリングレートの半分) を超える周波数の振幅を低減することです。この動作は、デジタル化プロセス中に高周波信号成分が低周波と誤解される現象であるエイリアシングを防ぐために不可欠です。

アンチエイリアシングフィルタは本来アナログであり、高周波成分を抑制するために採用され、サンプリングされた信号がナイキスト限界内に収まるようにします。

ローパスフィルタとバンドパスフィルタ

ローパスフィルタ: アンチエイリアシング機能に加えて、ローパスフィルタはノイズや無関係な高周波成分の減衰にも役に立ちます。これらのフィルタは、定義されたカットオフ周波数より低い周波数の信号を通過させ、このしきい値より高い周波数を減衰させるように特別に設計されています。このフィルタタイプは、オーディオ処理や特定の低周波数範囲のみが対象となる場合などのアプリケーションで役に立つことがわかっています。

バンドパスフィルタ: バンドパスフィルタは帯域外の周波数を減衰させ、帯域内の信号を通過させます。通信システムのような狭い周波数範囲が重要なシステムで有用です。

フィルタ設計の考慮事項

カットオフの頻度と帯域幅: ローパスフィルタのカットオフ周波数、バンドパスフィルタの中心周波数と帯域幅の選択が最も重要です。これらのパラメータは、特定のアプリケーションの関連する周波数コンテンツに合わせて調整する必要があります。

フィルタの順序: フィルタの順序は、停止バンドにおける減衰の傾きを決定します。高次フィルタは急なロールオフ特性を示し、通過帯域と停止帯域を鋭く分離するのに有利です。しかし、これはしばしば複雑になります。

フェーズ応答: 信号の波形は、フィルタの位相応答によって影響を受ける可能性があります。位相歪みを避けるために、特定のアプリケーションでは線形の位相応答が好まれます。

実装: RC回路、オペアンプを使用したアクティブフィルタ、ディジタルフィルタなどの技術はすべてフィルタの構築に使用できます。コスト、複雑さ、パフォーマンスの要件は、実装オプションに影響を与える変数のほんの一部にすぎません。

ノイズと歪み: ノイズと歪みはフィルタを通して加えることができます。フィルタの構成要素と設計を選択する際には、特定のアプリケーションに対するこれらのパラメータの許容レベルを考慮しなければなりません。

計装アンプ

A/Dコンバータ (ADC) は、計測アンプ (InAmp) が不可欠な高精度アプリケーションで使用されます。精密アプリケーションにおける計測アンプの機能、ならびにそれらの基本的な構成と設計上の懸念は、このセクションの主要なトピックです。

精密アプリケーションでの目的

計装アンプの目的は、高い同相電圧が存在する場合に、小さな差動信号を高精度に増幅することです。高入力インピーダンス、低ノイズ、高い同相信号除去比 (CMRR)、高精度、低レベル信号を処理する能力などの重要な特性により、高精度アプリケーションに最適です。代表的なアプリケーションの例には、次のようなものがあります。

センサの読み取り: 多くのセンサは、ADCによってデジタルデータに変換される前に増幅されなければならない小さな電圧変動を生じます。ひずみゲージ、熱電対、その他のセンサからの信号は、計装アンプを使用して頻繁に増幅されます。

データ取得: 収集されるデータの正確さと品質は、データ収集システムにおいて重要です。信号の劣化がわずかだけであることを確実にするために、計装アンプが利用されます。

医療アプリケーション: 計測アンプはECGやEEGデバイスなどの医療機器で頻繁に使用され、信号は非常に小さく正確な測定が必要とされます。

基本的な構と設計

3つのオペアンプ構成: 標準的な計装増幅器は3つのオペアンプを用いて構築することができます。最初の2組のオペアンプはバッファとして機能し、高い入力インピーダンスを提供します。3番目のオペアンプは差動アンプとして配置され、2つのバッファされた入力間の不一致を増幅します。この設定により、高い入力インピーダンスと抵抗値の調整による同調性の両方を提供します。

2つのオペアンプ構成: 計装アンプの単純な表現は、たった2つのオペアンプで実現できます。この構成は、3つのオペアンプ構成に匹敵する性能を発揮しますが、ゲイン調整に関しては汎用性が低くなります。

計装アンプの内蔵: 設計内に計測アンプを組み込んだ多くの集積回路が利用可能です。これらのICは高性能アプリケーション専用に設計されており、ゲイン調整用の内蔵抵抗や高度なフィルタリング機能などの追加機能を内蔵していることがよくあります。

設計上の考慮事項

ゲイン設定: 通常、計測アンプのゲインは外部抵抗を利用することによって確立されます。ゲイン設定の選択は、特定のアプリケーションの要件と入力信号の大きさに依存します。

同相信号除去比 (CMRR): CMRRは、同相信号を除去するアンプの能力を測定するための測定基準として機能します。ノイズや干渉が存在する状況では、CMRRが高いことが望まれます。

入力インピーダンス: 計測用アンプはセンサに使用されることが多いため、負荷の悪影響を避けるためには高い入力インピーダンスを維持することが不可欠です。

帯域幅とスルーレート: 測定中の信号の周波数範囲に対応するためには十分な帯域幅が必要です。さらに、スルーレートは特に増幅器が急速に変化する信号に対処しなければならないアプリケーションで重要です。

ノイズ性能: 精密中心のアプリケーションでは、計測アンプのノイズ性能が最も重要です。低入力ノイズのアンプを選択し、クリーンな電源を確保することは、希望の性能レベルを達成する上で重要です。