高度に統合されたADCが実世界の信号変換を簡素化する方法

ADCには、デルタ・シグマ、逐次比較レジスタ (SAR)、およびパイプライン型ADCのような幅広いアーキテクチャがあります。アーキテクチャに関係なく、すべてのADCは、入力電圧信号を固定でフルスケール (100%) の基準電圧 (V_REF) と比較するという同じ基本機能を提供し、基準電圧と比較した信号レベルの大きさに比例するデジタルコードを割り当てます。たとえば、V_REFが10Vの場合を考えてみましょう。入力信号が3Vのみの場合、ADCは特定で一連の1と0を使用して、入力電圧がV_REFの30%であることを伝達します。これが8ビットコンバータの場合、バイナリ出力は010になります (図1参照)。

図1: アナログ・デジタル変換

ただし、設計者が変換したい信号 (温度、光レベル、圧力など) の多くは、ADCで直接処理できない物理量です。熱電対、フォトダイオード、ひずみゲージなどのトランスデューサは、これらの物理量を電圧、電流、抵抗などの電気量に変換します。信号調整回路は、これらの電気信号を処理して、ADC入力と互換性のあるものにします。これには、電流から電圧へのさらなる信号変換、ADC入力範囲 (V_REFにより定義される) に一致させるスケーリングとシフト、ADCの入力インピーダンスを適切に駆動できるようにするためのバッファリング、およびノイズとエイリアシング (高い周波数の信号が低い周波数に折り返される可能性があり、精度を歪める可能性がある) を低減するためのフィルタリングが含まれます (図2参照)。

図2: 物理量からデジタル信号への変換

このシフト、スケーリング、バッファリング、フィルタリングは、入力信号を供給するセンサとADCの間に配置された信号調整回路によって実現されます。オペアンプや受動部品などのディスクリート部品から構築することも、ADCと統合することもできます。

アプリケーションによっては、ADCフロントエンドは、コンパクト、高速、正確なシステムを最適化するために設計者の入力を必要とする場合があります。以下のシナリオでは、X線アプリケーションのフロントエンドの最適化について説明します。

ADCフロントエンドの改善

X線信号について考えてみましょう。この信号はシンチレータ材料の層によって可視光に変換され、その後可視光はフォトダイオードによって非常に小さな電流 (ピコアンペアからナノアンペア) に変換されます。各ピクセルはフォトダイオードのアレイ内の微小な電流によって表されるため、ADCを駆動するには、多数の微小な電流を電圧に変換し、スケーリングし、バッファリングする必要があります。これらすべての小さな電流を基準電圧と比較するにはどうすればよいでしょうか?

ADCフロントエンドでの抵抗の使用

設計者は、最初はオームの法則を利用して抵抗器を使用したいと思うかもしれません。この基本的な電気方程式は、電流 (I_IN)、電圧 (V)、抵抗 (R) 間の関係で説明され、式 (1) で計算されます。

$$V = I_{IN} \times R$$

図3は、回路内でのこの関係を示しています。太陽光発電モードでは、電流が矢印の反対方向に流れるため、図3の電圧 (V) が負になることに注意しましょう。

図3: 電圧、電流、抵抗の関係

オームの法則をこのX線の例に適用すると、フルスケール信号が1nA、ADCのV_REFが4.096Vである場合、抵抗は4.096V/1nA = 4.096GΩである必要があります。これは、各チャネルに4.096GΩの抵抗が必要になることを意味します。

このサイズの抵抗を使用すると、理論的には電流をADCに合わせて調整できる出力電圧に変換できますが、1つの大きな問題は速度です。設計者は、実際のフォトダイオードには接合容量があるため、式 (2) で計算される抵抗コンデンサ (RC) 回路の時定数 (τまたはタウ) は非常に長くなることを考慮する必要があります。

$$\tau = R \times C_{JUNCTION}$$

この関係を実際の回路で示したのが図4です。

図4: 電流、抵抗、τの関係

たとえば、フォトダイオードの静電容量と、それをデータコンバータに接続する配線 (入力静電容量とも呼ばれる) が20pFの場合、このRC回路の時定数は (4.096GΩx20pF) = 82ms となります。数学的には、単一の時定数は全電圧の約63.2% (e^-1) にしか達しません。電圧の99%に落ち着くまで、合計5つの時定数 (e^-5) または、ほぼ0.5秒かかります。

これを考えると、82msのタウはkHzの速度のアプリケーションには遅すぎます。さらに、各電流源に抵抗を追加すると、システムの信頼性が低下し、コストが増加し、レイアウトが大きくなる可能性があります。

ADCフロントエンドでのトランスインピーダンス・アンプの使用

あるいは、トランスインピーダンス・アンプ (TIA) を使用して、電流を電圧に変換しながら信号をバッファリングすることもできます (図4参照)。図4と図5では、電流が矢印の逆方向に流れるため、負の符号が相殺され、アンプの出力の電圧が正になることに注意しましょう。

図5: トランスインピーダンス・アンプ

TIAではゲイン抵抗 (R_G) をフィードバックに配置し、式 (3) で計算できる出力電圧が得られます :

$$V = -R_G \times I_{IN}$$

アンプを使用すると、フォトダイオードから流れる電流に比例して、バッファリングされた時間変化する電圧信号が生成されます。これは、瞬時に起こる電流が必要でデータコンバータが信号を捕捉するのに十分な速度を備えている、多くのアプリケーションにとって優れた選択肢です。

ADCフロントエンドでのインテグレータアンプの使用

ただし、多くのX線アプリケーションでは、一定の間隔 (積分期間またはt_INT) の間にターゲットを通過する放射線量に比例するため、総電荷または積分電流が重要になります。このようなアプリケーションでは、TIAよりもインテグレータのフロントエンドの方が適しています (図5参照)。

図6: インテグレータアンプ

インテグレータアンプを使用する場合、アンプの出力と ADCへの入力 (V) は式 (4) で推定できます。

$$-V = - \frac {1}{C_F} \int_{t_{INT}} ^{0} I_{IN}dt$$

ここでC_Fはフィードバック容量、t_INTは積分時間、そしてI_INはフォトダイオードからの入力電流です。

MDC91128とX線システム

X線は、さまざまなエネルギーレベルで多くのアプリケーションに使用されます。一部の産業では、小型のX線源を使用できる小さな荷物を検査するシステムを備えている場合があります (空港や郵便局など)。ただし、他の産業では、荷物でいっぱいのパレットをスキャンする必要がある場合があり、その場合は、高エネルギーを備えた大型のX線装置が必要になります。船のコンテナと各コンテナ内の多数の層をスキャンするために、さらに大型のX線システムが使用されます。フロントエンドのインテグレータで異なるフィードバックコンデンサを使用して低電力信号と高電力信号を変換できるADCを使用して設計することで、X線システムメーカーは、同じデータコンバータをさまざまなアプリケーションにわたって拡張できるようになります。

MPSが提供するMDC91128は、インテグレータアンプのフィードバック要素として内部コンデンサを使用します。MDC91128は、128チャネルをもつデルタ・シグマADCで、128個のフォトダイオードセンサに対応できます (図6参照)。各チャネルには選択可能なゲインインテグレータとADCが含まれており、使いやすく小型でコスト効率の高いソリューションを提供します。

図7: MDC91128

複数の選択可能なフィードバックコンデンサを組み込むことにより、MDC91128などの統合型ADCは、医療オフィスでの小規模なX線から、輸送用コンテナでのさまざまな層の高解像度画像を提供することを目的とした大規模なX線まで、さまざまなエネルギーレベルのシステムで使用できます。さらに、MDC91128の128チャネルを各64チャネルの2つのバンクに分割することで、2つの個別のゲイン設定を構成でき、低エネルギー画像と高エネルギー画像を組み合わせて材料密度の解像度を向上させるデュアルエネルギーシステムに対応できます。

前述したように、X線アプリケーションでは、放射線が無駄にならないようにすることが重要であり、これによりフォトダイオードの信号を継続的に統合する駆動力を生じます。MDC91128は、ADCが完了したばかりの積分値を変換している間に新しい積分期間を開始できるようにすることで、このプロセスを実現します。

MDC91128で使用されるアーキテクチャは、多くの小信号電流からデジタルアプリケーションまで役立ちます。X線のスキャンに加えて、実験室の設定、生化学反応、生物医学の画像処理、その他のフォトダイオードセンサ、線量測定および放射線治療システム、光ファイバー出力モニタリング、計測機器、体外診断アプリケーション、および多数のフォトダイオードまたは多数の並列な電圧測定を使用するその他のアプリケーションにおける微小電流の測定および変換にも適しています。

結論

データコンバータは、実世界の情報を取得し、コンピュータが理解して保存できるデジタル信号に変換できる強力なデバイスですが、時間とともに変化するパラメータと個別信号の間のギャップを埋めるように最適化する必要もあります。特に、アナログデジタルコンバータ (ADC) のフロントエンドには、入力信号をADCが理解して量子化できるデジタル信号にスケーリングできる調整回路が必要です。

本稿では、オンチップのインテグレータアンプを使用して、ADCの幅に合わせて非常に小さな電流を電圧に変換する利点について説明しました。また、X線スキャンなどの幅広い用途に使用できるMDC91128、スケーラブルなデルタ・シグマADCについても説明しました。

_______________________

興味のある内容でしたか? お役に立つ情報をメールでお届けします。今すぐ登録を!