5 電圧リファレンスのノイズがノイズ フリー分解能に与える影響

ENOB は ADC 出力の分解能を正確に表しますが、DC 性能は考慮されていません。DC 入力から ADC へのノイズが分解能に及ぼす影響を理解するには、回路のノイズ フリー分解能を明らかにすることを検討してください。式 4 を使用すると、DC 信号を測定しながら、ADC のデジタル出力の最下位ビット (LSB) 数でコードの拡散を観察し、ノイズ フリー分解能を計算できます。

リファレンス ノイズがシステムの精度性能に及ぼす影響を明確にするために、同僚と私は REF70 (0.23ppm_p-p フリッカー ノイズ) と REF50 (3ppm_p-p フリッカー ノイズ) を使用して、特定のシグナル チェーンに対する DC コード拡散テストを実施しました。REF50 と REF70 はどちらも、高精度 ADC とともに使用される高精度電圧リファレンスであり、異なる DC 特性を持っています。ただし、このテストの目標は、信号チェーン回路内でこれらのデバイスのノイズ性能を比較することのみでした。

この設計では、20kSPS でデータをキャプチャする ADS8900B 20 ビット SAR ADC のフルスケール レンジに近い電圧レベルで、安定した DC 電源としてバッテリを使用します。OPA2320 をゲイン = 1 で使用して、ADS8900B の入力を駆動します。この ADC はリファレンス バッファ ドライバを内蔵しているので、オプションのリファレンス バッファは不要です。電圧リファレンスの出力に、単純な抵抗 - コンデンサによるローパス フィルタを配置することで、電圧リファレンスからのノイズをさらに低減できます。図 3 に、このテストで使用するセットアップを示します。

電圧リファレンスの横にある信号チェーンの部品にもフリッカーノイズがあり、これは最終的なコード拡散の一部になります。信号チェーンは、リファレンスが異なる場合にのみ同じ状態を維持するため、性能数値への影響は電圧リファレンス ノイズのみである必要があります。

高精度システムは、精度の向上と全体的な分解能の向上のために、データ処理手法を採用しています。この実験では、ADS8900B から取得した 20 ビットの未加工データを、出力に 16 を乗算して 24 ビット長に変換しました。変換された 24 ビット データは、異なる有限インパルス応答 (FIR) フィルタによって処理されます。FIR フィルタは 実装が容易で、入力値に変化が生じた場合に迅速に安定します。出力データ レートは 20kSPS のままですが、レイテンシはフィルタ特性で定義されています。

24 ビット レベルでは、REF50 と REF70 のノイズ (および精度) はほぼ同等であり、全体的なノイズはシグナル チェーンとその広帯域ノイズによって支配されます。平均コード値の差は、電圧リファレンスの差が原因で、キャリブレーションで除去できる精度仕様です。これらの結果を図 4 と図 5 に示します。

オクターブ ツールを使用し、3 種類のデジタル フィルタにより生データの後処理を実行しました。

• 1,024 タップ移動平均フィルタ。
• 801 タップ、17Hz ローパス フィルタ。
• 455 タップ、36Hz ローパス フィルタ。

図 6 に、これらのフィルタのフィルタ応答を示します。

図 7、図 8 および 図 9 に、デジタル フィルタがコード拡散に及ぼす影響を示します。

式 4 を使用すると、REF50 と REF70 の各フィルタ プロファイルが ADC の分解能に及ぼす影響を簡単に比較できます。これらのテスト結果を 表 1 にまとめました。

この比較は、最高精度のアプリケーションで、ノイズ フリー分解能を計算する際に REF70 が REF50 よりも優れていることを示しています。これは主に、デバイスのフリッカー ノイズ レベルの違いが原因です。REF70 を使用する場合のコード拡散の縮小は、超低ノイズが高精度アプリケーションにおいて 2 ビット近い分解能の改善を実現できることを示しています。加えて、低ノイズ リファレンスを使用すると、ノイズ フリーの高い分解能を維持しながら、高速 455 タップ フィルタを使用できることがわかります。電圧リファレンスのフリッカー ノイズが小さいと、コード拡散が減少するので、ノイズ フリーの分解能が向上します。ENOB と同様、低いノイズフリーの分解能を実現するようにシグナル チェーンを設計する際に、ノイズは重要な検討事項になります。