高性能システム用の広帯域A/Dコンバータ(ADC)を選ぶにあたっては、ADC分解能、サンプリング・レート、S/N比(SNR)、有効ビット数(ENOB)、入力帯域幅、スプリアスフリー・ダイナミック・レンジ(SFDR)、微分/積分非直線性など、アナログ入力についての数多くの仕様を考慮する必要があります。

ギガサンプル/秒(GSPS)ADCにおいて、SFDRは最も重要なAC性能仕様の1つでしょう。この値は、ADCが他のノイズ周波数やその他のスプリアス周波数から搬送波信号を解読する能力、そして結果的にはそのシステムの解読能力を決定します。

GSPS ADCで使用する変換速度を実現するにあたっては、高いサンプリング・レートで信号を取得するアーキテクチャがいくつかあります。しかし、これらのうちいくつかのアーキテクチャは、全帯域幅SFDR性能を犠牲にすることによって他の性能を満たしています。

ここでは、コンバータのSFDRがシステムに与える影響を理解するために、設計技術者からのいくつかの一般的な質問に答えていきます。これらは、SFDRの詳細、SFDRがコンバータのデータシート内でどのように記述されているか、ADCの性能を制限してしまうアーキテクチャとADCの性能を最大限に生かすことのできるアーキテクチャ、SFDRを制限するシステム設計要素に関するものです。

データシートに示されているSFDRには注記があるものとないものがあります。SFDRとは、正確に言うと何なのでしょうか。

多くのシグナル・アクイジション・システムの鍵となるのは、ノイズの中から信号を識別できる能力です。定められた通信プロトコルであれ、レーダー・スイープであれ、あるいは計測機器であれ、弱い信号を捉えて解読することは、あらゆる識別システムの性能の中核をなします。

SFDRは、大きな干渉信号と区別することのできる最小の信号の電力比を表わします。この値は、高速フーリエ変換(FFT)などにおいて、搬送波電力の二乗平均平方根(RMS)と、時間ドメインに見られる二番目に大きなスプリアス信号のRMS値の動的な比率を決定します。したがって定義上は、このダイナミック・レンジに他のスプリアス周波数が含まれていてはならないことになります。

多くの場合、SFDRは指数単位(dBc)の範囲として定量化され、対象搬送波と二番目に大きな周波数をもつ波の電力の相対値で表されますが、指数単位(dBFS)で表したフルスケール信号を基準とすることもできます。対象搬送波は比較的低電力の信号で、ADCへのフルスケール入力より十分に小さいため、これは重要な差です。この場合は、他のノイズやスプリアス周波数と信号を区別する上で、SFDRが最も重要な要素となります。

ADCのSFDRを制限するものは何でしょうか?

高調波の周波数は基本波の周波数を整数倍したものです。適切に設計されたモノリシックADCコアでは、SFDRは通常、搬送波周波数と対象基本周波数の第2または第3高調波の間のダイナミック・レンジに支配されます。狭帯域ADCのデータシートの中には、狭い動作帯域内だけのSFDRが規定されているものがありますが、その場合第2および第3高調波が含まれていないのが普通です。また、広い帯域にわたるSFDRを記載したうえで、その仕様性能を得るための条件が注記されているデータシートもあります。

通常は第2または第3高調波が主要スプリアス周波数ですが、システム上の他の理由からGSPS ADCのSFDR性能を制限する可能性のあるスプリアスも存在します。たとえば、インターリーブADCコアが複数ある場合は、インターリービング・アーティファクトを周波数ドメイン内にもたらすことによって、スプリアス周波数を発生させる可能性があります。これらのスプリアスは基本周波数の第2または第3高調波より大きくなることがあるため、SFDRに影響する支配的な制限要素となり得ます。直感的には分かりにくいかもしれませんが、SFDRはインターリーブADCのデータシートでも規定されていることがあり、この場合はインターリービング・スプリアスが計算から除外されている旨の注記があります(図1)。

図1 これはモノリシック12ビットADCのFFTで、第3高調波がSFDRに影響する支配的な要素であることがわかります。この場合は搬送波電力が基準になり、基本周波数(-1dBFS)から第3高調波(-82dBFS)までのダイナミック・レンジは-81dBcです