タイミング回路入門
A/Dコンバータ (ADC) の動作はタイミング回路に大きく依存します。これらの回路は、データ変換プロセスがスムーズかつ順次進行することを確認するために必要なタイミング信号を生成します。
ADCでの役割
アナログ信号は、ADCを使用してデジタル値の流れに変換されます。この手順では、サンプリング、量子化、デジタル出力の生成など、多くのタスクを同期させる必要があります。これらの動作がいつ行われるかを決定するのに必要なクロック信号は、タイミング回路によって提供されます。
サンプリングクロック: アナログ入力信号には一定のサンプリングレートを適用する必要があります。デジタル化された信号の忠実度は、これらの間隔の精度と信頼性に大きく影響されます。
量子化とエンコーディングのタイミング: アナログ信号は量子化され、サンプリング後にデジタル値に変換されます。タイミング回路は、サンプリングがスケジュール通りで時間通りに行われることを確実にします。
出力データのタイミング: 出力データは、アナログ信号がデジタル値に変換された後、処理または保存のために後続のデジタルシステムに送信されなければなりません。出力データストリームはタイミング回路の助けにより同期させることができます。
クロック信号の生成: タイミング回路は、ADC、そしておそらくシステム全体の動作の中心として機能する重要なクロック信号を頻繁に生成します。
タイミング回路の種類
さまざまなタイミング回路がADC内のアプリケーションで見られ、それぞれが異なる機能を提供します。特定のタイミング回路の選択は、消費電力、精度、複雑さなどの要因を考慮して、アプリケーションの特定の要件に依存します。タイミング回路の主要なカテゴリには、次のものが含まれます。
発振器: これらは繰り返しの波形を生成するように設計された回路であり、クロック信号の主要なソースとして機能します。身近な発振器には水晶発振器やRC発振器があります。
クロック発振器および配信ネットワーク: 一度基本的なクロック信号が生成されると、ADCの様々なセグメントに適合または拡散する必要が生じる可能性があります。クロック発振器はしばしばフェーズロックループ (PLL) を利用しており、最初の発振器ソースから複数のクロック信号を導き出します。その後、配信ネットワークはこれらのクロック信号をADC内に配置された多様な部品に確実に伝播させます。
タイマとカウンタ: 時々、ADCはタイマとカウンタを使用して、特定の間隔または所定のクロックサイクル数の後に実行を必要とする動作を容易にすることがあります。これらの部品は、オーバーサンプリングや積分技術を用いるADCにおいて特に重要であることがわかっています。
パルス発生器: ADC内の特定のイベントをトリガーするために、単一のパルスまたは一連のパルスを生成する必要がある場合に、パルス発生器が作動します。
パルス発生器
発振器は繰り返し波形を生成するように設計された電子回路であり、アナログ・デジタルコンバータ (ADC) を含む電子システム内のさまざまな機能を調和させるためのクロック信号として頻繁に機能します。ここでは、一般的な2種類の発振器、すなわち水晶発振器とRC発振器について掘り下げます。また、それらの安定性と正確性に影響を与える要因についても検討します。
水晶発振器
水晶振動器は、振動する水晶の機械的共振を利用して特定の周波数の電気信号を生成する精密計時機器です。この周波数は、無線送信機や受信機の周波数安定化、デジタル集積回路に信頼性のあるクロック信号を提供するために、クォーツ腕時計で時間を追跡するために頻繁に使用されます。
動作: 水晶発振器の頭脳として水晶系圧電結晶が機能します。結晶は、電場がその自然共鳴周波数で印加されると振動します。そして、電気信号は振動から再び生成されます。
利点: 水晶発振器は、高品質の係数、優れた安定性、および最小限の位相ノイズを提供します。これらは精度が重要な場面でよく使用されます。
RC発振器
RC発振器は、抵抗とコンデンサの組み合わせを使用して振動電子波形を生成する回路です。水晶発振器のような共振素子に依存しないため、信頼性は低くなりますが、シンプルで低価格になります。
動作: RC発振器は通常、増幅器とコンデンサ / 抵抗ベースのフィードバックネットワークから構成されます。フィードバックネットワークは出力と入力を位相に合わせて行い、発振を維持します。
長所と短所: RC発振器は水晶発振器よりも使いやすく安価ですが、通常、精度と信頼性は劣ります。それらは、正確なターゲット周波数を維持することが重要でないアプリケーションで頻繁に利用されます。
発振器の安定性と精度
安定性と精度は発振器に関しては2つの重要なパラメータを表しており、細心のタイミングが最も重要であるADCではその重要性が拡大しています。
安定性: 安定性は、温度変化や電源シフトなどの変動条件を越えて、時間の経過とともに周波数を一貫して維持できる発振器の能力を意味します。水晶発振器は水晶の機械的共振の本質的な不動性安定により安定性に優れています。一方、RC発振器は温度変化や経年変化の影響により抵抗値やコンデンサ値が変化する可能性があるため、安定性は低くなります。
精度: 精度は発振器の周波数が公称値と近いかどうかに関係します。例えば、公称周波数10MHzの水晶発振器は10.0001MHzで動作します。このわずかなずれは時間の経過とともに蓄積し、特に正確なタイミングに依存するアプリケーションでは誤差を引き起こす可能性があります。
温度補償とオーブン制御: 水晶発振器の安定性と精度を高めるために、温度補償やオーブン制御などの補足技術を実装することができます。温度補償水晶発振器 (TCXO) とオーブン制御水晶発振器 (OCXO) は、発振器の周波数に対する温度変動の影響を軽減するために細心の注意を払って設計されています。
チューニングと較正: RC発振器の場合、チューニングと較正のプロセスによって精度を維持することができます。これには、抵抗値とコンデンサ値の動的な調整、または精度を維持するために既知の基準に発振器を合わせることが含まれる場合があります。
クロックの生成と配信
デジタルシステム、特にADコンバータ (ADC) では、クロック信号は同期と正確なタイミング制御のための基本要素として機能します。クロック生成と配信回路は、システム全体で安定した同期クロック信号を提供するために細心の注意を払って作成されています。
この項では、クロック生成のためのフェーズロックループ (PLL) の使用状況、クロック・バッファリングと配信の領域、およびスキューとジッタのような要因を検討します。
PLL (フェーズロックループ)
フェーズロックループ (PLL): PLLは入力信号の位相にリンクされた出力信号を生成するフィードバック制御システムです。それらはクロック生成や周波数合成のようなタスクで広く使われています。
コンポーネント: 基本的なPLLは、位相検出器、ローパスフィルタ、電圧制御発振器 (VCO) の3つの重要な要素で構成されています。位相検出器は出力信号との関連で入力信号の位相を評価します。結果として生じる誤差信号はローパスフィルタでフィルタされ、続いてVCOを調整し、その周波数を微調整します。位相同期ループシステムの構成要素を示す基本的なブロック図を図3に示します。
図3 : フェーズロックループシステム
ロック生成時のアプリケーション: PLLには基準クロックの周波数を上げる能力があり、その結果、より高い周波数のクロック信号が生成されます。これは、正確な高周波クロック信号が必要ですが、低周波数の基準しか利用できない場合に特に役に立ちます。
クロックバッファリングと配信
クロック信号はデジタルシステムの重要な要素であるため、ジッタと遅延を最小限に抑えて多くの場所に送信する必要があります。
クロックバッファ: クロックバッファは、クロック信号の振幅を増幅するために使用され、信号が劣化することなく、より長い距離やさまざまな場所に送信できるようにします。単純な反転アンプと非反転アンプの両方が許容されます。
クロック配信ネットワーク: これらの特殊化されたインターコネクトは、クロック信号を同じ伝播遅延で異なるシステム部品に配信します。多くのシステム部品の同期動作はこれに依存します。
スキューとジッタの考慮事項
クロック信号の分配に関しては、クロックスキューとジッタという2つの重要な懸念が生じます。これらの要因は、デジタルシステムのタイミング精度と全体的な性能に影響を与える可能性があります。
クロックスキュー: クロックスキューは、デジタルシステム内のさまざまな部品でクロック信号の到着時間に不一致がある場合に発生します。この現象は、トレース長の不均衡や他の寄生効果に起因する可能性があります。ここでの必須事項は、すべてのシステム部品間の同期を確実にするためにクロックスキューを最小化することです。
ジッタ: 一方、ジッタはクロック信号の周期の変動を指します。この変動は、ノイズ、干渉、部品や環境の非理想的な属性などの要因に起因します。ジッタが高くなるとは、正確なタイミングに依存するフリップフロップやその他の部品でセットアップ時間違反とホールド時間の違反を引き起こす可能性があります。
軽減技術: スキューの懸念に対処するために、設計者はバランスのとれたクロックツリー構造を選択することがよくあります。一方、ジッタを軽減するために、慎重なアプローチには細心のPCBレイアウトの実践、フィルタリング技術、およびジッタ低減のための専用回路の利用などが含まれます。
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