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2017.05.23

18bit ADCボードのノイズはどこからくるのか

Cosmo-Zの18bit拡張ボードで、ノイズがどこからくるのかを調査しました。

このボードは、Cosmo-Zに装着する拡張ADボードで、Cosmo-Zを18bitのADCにするボードです。

18bit_ext

上の写真で、Cosmo-Zの下にあるボードで、5MHzサンプリングで8chというスペックです。可変ゲインアンプがのっていて、ゲインを1、10、100、1000倍と切り替えることができます。ゲイン1のときには±1.0Vの信号をAD変換してFPGAに入れることができます。

まず、何も入力しない状態でヒストグラムを取ってみますと、綺麗なガウス型が得られました。

18bit_ext1

ここから半値幅を出してみると、ノイズは約234μVという結果が得られました。

ちょっと大きいきがします。

このADCボードは下の図のような構成になっています。

18bit_ext2_2

このどこでノイズが発生しているのでしょうか。

まず、AD7960の入力をショートして、入力電圧を0にしてみました。

18bit_ext3

その結果が、下のヒストグラムです。

18bit_ext4

半値幅は3LSBで、ノイズは47μVということになります。

つまり、ADCのAD7960自体ではノイズは47μV程度しかありません。

OPアンプのどこかでノイズが発生していることがわかります。

次に2段目のTHS4521の入力をショートしてみました。

回路図でいうとこんな感じです。

18bit_ext6

ヒストグラムを見ると、

18bit_ext7

半値幅が5LSBで、ノイズが78μVに増えたことがわかります。

これをどう解釈すればよいかというと、AD変換器自体のノイズは78μVで、それにOPアンプで64μVのノイズが加わったと解釈できます。ノイズの和は二乗の和の平方根になるので、√(47×47 + 64×64)≒79μVとなるからです。

このOPアンプにはゲイン4を持たせているので、入力側で16μVのノイズが発生したと解釈できます。

OPアンプ自体で発生するノイズは4.6nV/√Hzで、約2.5MHzまでの帯域を増幅しているので7.3μV。OPアンプの帰還抵抗は5kΩで、生じる熱雑音は2.5MHzの帯域で14μV。

合わせて16μVになるので、ちょうど計算が合いました。

18bit_ext8

18bit ADC拡張ボードのノイズのほとんどは、AD8253から出ていることがわかります。

この話が合っているかどうかはわかりませんが、意外と、ノイズの大きさは計算できてしまうのですね。

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