온도 조절기에서 비행 제어에 이르기까지 다양한 시스템은 ADC(아날로그-디지털 컨버터)를 사용하여 디지털 도메인에서 처리될 실제 아날로그 신호를 캡처하고 디지털 결과를 기반으로 필요한 조치를 취합니다. 각 ADC는 생성할 수 있는 다양한 디지털 레벨을 나타내는 비트 수를 지정합니다. 주어진 일정한 ADC 입력의 경우, 일반적인 신호 체인의 다양한 오류로 인해 ADC의 출력은 일정한 디지털 값이 아닙니다. 따라서 더 나은 비교를 위해 ENOB(유효 비트 수) 또는 신호 체인의 잡음이 없는 해상도를 고려하고, 캡처된 데이터에서 최대 정보를 추출하는 것이 중요합니다. 정밀도가 높을수록 더 높은 ENOB와 잡음 없는 해상도가 요구됩니다.
일반적으로 시스템의 신호 대 잡음 비율(SNR), 총 고조파 왜곡(THD), 잡음은 ENOB 계산에서 중요한 역할을 합니다. 필드 트랜스미터 또는 테스트 및 측정 애플리케이션 같은 여러 시스템의 경우 DC 입력 신호 정확도 및 정밀도가 매우 중요합니다. 따라서 잡음 사양이 가장 중요합니다. ADC와 함께 사용되는 전압 레퍼런스는 정밀성과 정확도에 영향을 미칠 수 있는 신호 체인의 중요한 구성 요소입니다.
필터링을 통해 일부 잡음을 제거할 수 있지만 낮은 주파수에서는 잡음을 현실적으로 필터링할 수 없습니다. 전압 레퍼런스에서는 필요한 저항 커패시터 필터 구성 요소의 크기 때문에 신호 체인 성능에 큰 영향을 미치지 않고 플리커 잡음(0.1Hz~10Hz의 잡음)을 필터링할 수 없습니다. 따라서 거의 항상 시스템에는 잡음이 존재합니다.
전압 레퍼런스 잡음 외에도 ADC 자체와 ADC 드라이버의 잡음이 발생합니다. 이러한 각 부품은 디지털 신호를 생성하는 회로에 잡음을 유발합니다. 그림 1은 이 회로의 간소화된 블록 다이어그램입니다.
방정식 1은(는) 이 회로의 총 잡음을 다음과 같이 나타냅니다.
시스템의 ENOB를 결정할 때 회로에 존재하는 잡음의 양을 알고 있어야 합니다. 일반적으로 저잡음 설계를 위해서는 저잡음 장치를 선택하는 것이 필수적입니다.
이 문서에서는 전압 레퍼런스 선택뿐만 아니라 ADC 성능을 극대화하는 데 도움이 되는 기타 데이터 처리 옵션에 대해 중점적으로 다룹니다.
전압 레퍼런스 핀을 반복적으로 샘플링하면 몇 나노초 간격으로 전류 과도 현상이 나타날 수 있습니다. 그러나 ADC의 경우 큰 게인 오류를 피하기 위해 외부 레퍼런스가 샘플 단계의 종료 시 안정화되거나 재충전되어야 합니다. 샘플링 속도를 늦추면 이 문제가 해결될 수 있지만 항상 가능한 것은 아닙니다. 일반적으로 ADC가 더 정밀할수록 레퍼런스 입력에 더 많은 전류 유입량이 필요합니다. 전압 레퍼런스의 대역폭이 충분하지 않거나 출력 임피던스가 너무 높으면 ADC의 레퍼런스 입력을 재충전할 수 없습니다. 이로 인해 전압 강하가 발생하여 게인 오류가 발생하고 ENOB가 낮아집니다.
이러한 이유로 ADC의 THD를 높이고 왜곡 및 ENOB에 대한 데이터 시트 사양을 충족하는 데 전압 레퍼런스 외부의 고대역폭, 낮은 출력 임피던스 버퍼가 필요한 경우가 있습니다. 일부 ADC에는 내부 전압 레퍼런스 버퍼가 있지만, 일부는 아닙니다. 그림 2에서는 회로의 THD를 늘리기 위해 외부 버퍼를 추가하는 위치를 보여줍니다.
ENOB는 회로의 AC 특성이 ADC 해상도에 미치는 영향을 측정합니다. 회로의 잡음과 THD는 신호 대 잡음 비율과 왜곡(SINAD)이라고 하는 용어를 사용합니다. SINAD는 방정식 2(으로 표현된 두 가지 AC 특성을 한 숫자로 나타냅니다.
방정식 2에서 SNR이 증가하면 SINAD도 증가합니다. 따라서 잡음과 왜곡이 적을수록 SINAD가 향상됩니다. SINAD를 사용하면 특히 다음과 같은 경우 방정식 3을(를)사용하여 ADC의 ENOB를 쉽게 찾을 수 있습니다.
방정식 1을(를) 다시 살펴보면 전압 레퍼런스에 존재하는 총 잡음을 줄이면 회로에 존재하는 총 잡음이 감소하여 SNR이 증가하게 됩니다. SNR이 증가하면 ENOB도 증가합니다. 또한 전압 레퍼런스 출력에 고대역폭 버퍼를 추가하면 ADC의 THD가 감소하여 ENOB가 증가합니다.