アナログ-デジタル変換回路

アナログ-デジタル変換回路 (A/D変換回路) の解説

アナログ-デジタル変換回路（A/D変換回路、A/Dコンバーター(ADC)）は、マイクの音声、アンテナの電波、デジタルカメラの光など、アナログ電気信号をデジタル電気信号に変換する電子回路です。変換されたデジタル信号は、CPUなどのデジタル信号処理回路で処理できるため、現代のセンシングや通信システムにおいて必要不可欠な技術となっています。

アナログ-デジタル変換とは

アナログ-デジタル変換（A/D変換）とは、連続的な値を持つアナログ信号を、離散的な値を持つデジタル信号に変換する処理のことです。その逆の処理はデジタル-アナログ変換と呼ばれます。変調方式の観点からは、A/D変換はパルス符号変調の一種とみなすことができます。A/D変換のような操作は、デジタイズとも呼ばれます。

A/D変換の基本操作

A/D変換の基本的な操作は、まずサンプリング周波数で入力を標本化し、その後、量子化することによって行われます。この際、標本化による折り返し雑音と、量子化による量子化雑音という2つの重要な問題が発生します。

A/D変換回路の種類と原理

様々なA/D変換回路が存在しますが、代表的なものを以下に示します。

1. フラッシュ型（並列比較型）

nビット出力のA/D変換の場合、2ⁿ-1個の比較器を用意して変換を行います。各比較器は入力電圧を基準電圧と比較し、基準電圧より高いか低いかを出力します。これらの比較結果を組み合わせることで、デジタル値を得ます。この方式は原理が単純で高速ですが、ビット数が増えると比較器の数が指数関数的に増加するため、大規模な回路になります。

2. 逐次比較型およびパイプライン型

正確なnビットD/A変換器を用いて、入力電圧との比較を繰り返し行うことで、1ビットずつ精度を上げていきます。逐次比較型は1つの比較器を繰り返し使用し、パイプライン型は複数の比較器をパイプライン処理のように並列的に使用します。この方式ではサンプルアンドホールド回路が必要となります。サンプルアンドホールド回路は、変換時間中に入力電圧を一定に保つための回路です。

3. 傾斜型および追従型

のこぎり波または階段状波形を発生させ、入力電圧と比較することで変換を行います。傾斜型はのこぎり波の立ち上がりから入力電圧と一致するまでの時間を計測し、追従型は階段状波形が入力電圧を超えた時点のカウンタ値を採用します。回路は簡単ですが、変換速度は遅いです。

4. VF変換型

入力電圧をコンデンサに充電するマルチバイブレータを用いて矩形波を発生させ、その周波数を計測することで入力電圧をデジタル値に変換します。入力電圧に比例した周波数の矩形波を生成し、その周波数を測定することでアナログ値をデジタル値に変換します。

5. 二重積分型（二重傾斜型）

まず入力電圧を一定時間積分し、次に逆符号の基準電圧で積分して、積分値が0になるまでの時間を計測します。この時間から入力電圧を算出します。ノイズキャンセリング効果が高く高精度が得られますが、変換速度は遅いです。また、積分回路がローパスフィルタとして機能するため、アンチエイリアスフィルタが不要な場合があります。

6. ウィルキンソン型

パルス状入力信号のピーク値または総電荷を計測するために設計された方式です。ピーク値測定の場合はピークホールド回路、総電荷測定の場合は積分回路を用います。

7. デルタ・シグマ型

1ビットのA/D変換を高速に繰り返し行い、デジタルフィルタでノイズを除去することで高精度な変換を実現します。オーバーサンプリングとノイズシェーピングという技術を用いて、低ビット数の高速変換から高ビット数の低速変換を得ます。アナログ回路は単純ですが、デジタル処理の部分が複雑になります。

A/D変換器の性能表示

A/D変換器の性能は、以下の項目で評価されます。

分解能: 測定可能な最大値を離散化の最小単位で割った値で、通常はビット数で表されます。
誤差: 理想的なA/D変換からのずれを表し、積分非線形性誤差、微分非線形性誤差、オフセット誤差、ゲイン誤差などがあります。
変換時間とサンプリング周波数: 変換にかかる時間と、1秒間の変換回数です。
時間方向の誤差（ジッター）: サンプリングタイミングのずれです。

まとめ

A/D変換回路は、様々なアナログ信号をデジタル信号に変換するために不可欠な電子回路です。様々な種類があり、それぞれの方式には長所と短所が存在します。用途に応じて最適な方式を選択する必要があります。

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