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2013年2月 5日 (火)

A/Dコンバーターのビット分解能のはなし

A/Dコンバーターのビット分解能とはAd_bit

トラ技2012年1月号付録の「エレクトロニクス格言カレンダー手帳」の2月のページにこんな格言がありました。
「10ビット以上の分解能の性能はやすやすとは得られない」です。
説明には「分解能16ビット超のADコンバーターの入手が簡単な時代ですが、プリアンプのわずかな消費電流を考えないだけで、8ビットしか分解能が得られなくなります。」とのことでした。
 これは16ビットというと、入力アンプの電源電流が信号源グランド側に流れ、そのGND抵抗が0.1Ωでも影響しまうようなレベルの分解能だということです。計算してみると2Vp-pでフルスケールとした場合、16Bitでは 1Bitでは 30µVで電力換算では -86dBm ということになります。入力コネクタがケースといっしょにGND に落ちているようなセットは疑う必要がありますね。
オーディオのような数100KHzまでの話でしたら、まだ実現性がありますが、数 100MHzもの帯域を考えた時には素子の熱雑音を考慮しても、熱雑音は
P = -174dBm + 10Log( BW )
なので、仮に帯域を100MHz とすると
P = -174dBm + 10Log( 100000000)
   = -174dBM + 10 x 8 = -94dBm
となって、初段アンプで 8dB増幅したら同じになってしまいます。
計ってみるときは
高い周波数ではスペアナなどで測定・チェックします。

Noiswbw

このときに、雑音についてよく考えないと実際に ADで動かしたらとんでもない雑音だらけだったということもよくあります。
スペアナでは内部のIF 増幅のための RBW という帯域切り換え機能がありますが、通常はスプリアスなどを精密に測定する場合は RBWを小さくして、スペアナの表示するノイズレベルを下げて使います。こうすると熱雑音などによるノイズレベルを下げて観測出来るからです。このようにRBWを下げて測定した場合、仮に 10kHz BW で -60dBm とれていたので問題ないと考えられるでしょうか?
 じつはこのアンプの動作帯域が 10MHzだとすると、この帯域の各 10KHz 帯域には -60dBm だけれども、この各10KHz帯域の周波数成分のノイズが全帯域では1000倍あり、タイミング的には足し合わされてノイズ電圧のピークレベルは数100倍になる可能性があるということです。
 ですからオシロスコープをつなげてびっくり! -60dBmなので、0.63mVp-pのはずが数100mVもノイズが出ていることもあります。
「雑音電圧は帯域が広いほど大きくなる」のを覚えておかないとせっかくの 高速400Msps 14Bit ADC や 800Msps 16Bit DAC も 10Bit以下の性能しか出ないことで悩むことになります。

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