オーバーサンプリングとノイズシェーピング SNR 計算ツール
シグマデルタ ADC のオーバーサンプリングとノイズシェーピングによる SNR の改善を計算します。OSR が高くなると得られる有効ビット数を求めます。無料で即時に結果が得られます。
公式
仕組み
オーバーサンプリング SNR カリキュレータは、オーバーサンプリングとノイズシェーピングによる分解能の向上を計算します。これは、デルタシグマ ADC 設計、オーディオコーデックの開発、および高解像度測定システムに不可欠です。IC設計者、オーディオ・エンジニア、および計測スペシャリストは、これを利用してサンプリング速度と効果的な分解能を犠牲にします。Schreier＆Temesの「デルタシグマデータコンバーターの理解」（第2版、IEEE Press/Wiley）とNorsworthy＆Schreier＆Temesの「デルタ・シグマ・データ・コンバーター：理論、設計、シミュレーション」（IEEE Press、1997年）によると、ファクターMによるオーバーサンプリングは 量子化ノイズをM倍広い帯域幅に分散させ、帯域内SNRを改善します 10*log10 (M) dB で、オクターブあたりゲインが 3 デシベル (2 倍) になります。デルタシグマADCのパフォーマンステストは、IEEE規格1657-2010（アナログ-デジタルコンバーターの用語とテスト方法に関するIEEEドラフト標準）とオーディオアプリケーションのAES17-2020に準拠しています。L次ノイズシェーピングを追加すると、量子化ノイズがより高い周波数に押し上げられ、オクターブあたり（6.02L+3.01）dB向上が達成されます。3 次ノイズシェーピング機能を備えた 64 倍オーバーサンプリング 1 ビットコンバータは、16 ビットの等価分解能 (98 dB SQNR) を実現します。最新のオーディオDACは、256倍のオーバーサンプリングと5次シェーピングを使用しており、120dB以上のダイナミックレンジに達し、24ビットの理論上の制限を超えています。
計算例
16 ビット等価分解能 (98 dB SQNR) の 20 kHz オーディオ帯域幅に対応するデルタシグマ ADC を設計します。ステップ 1: ベースの 1 ビット SQNR = 6.02*1 + 1.76 = 7.78 dB。ステップ 2: 必要な改善 = 98-7.78 = 90.2 dB。ステップ 3:3 次ノイズシェーピングで 64 倍オーバーサンプリング (fs = 2.56 MHz) を試してください。ステップ 4: オクターブあたりの改善値 = 6.02*3 + 3.01 = 21.07 dB。ステップ 5: オーバーサンプリングのオクターブ = log2 (64) = 6。ステップ 6: 全体的な改善の度合い = 6 * 21.07 = 126.4 dB。ステップ 7: SQNR = 7.78 + 126.4 = 134.2 dB を達成しました。36 dB のマージンで要件を上回りました。アナログ・デバイセズによると、AD1871はこのアーキテクチャを使用して105 dBのダイナミック・レンジを実現しています。
実践的なヒント
- ✓Schreierによると、ノイズシェーパーの次数ごとに最小値 (L+1) xのオーバーサンプリングを使用して安定性を確保します。4次には32倍以上が必要です
- ✓最新のオーディオDACは、256〜512倍のオーバーサンプリングを採用しているため、シャープなブリックウォール設計の代わりにシンプルなRC出力フィルタを使用できます。
- ✓安定性を最大限に高めるには、ノイズシェーパーの次数を3～5に制限します。Norsworthyによると、次数が高くなるとマルチステージのMASHアーキテクチャが必要になります
- ✓オーバーサンプリング後のデシメーション・フィルタは、出力データレートをナイキスト最小値まで下げながら分解能を回復します。
よくある間違い
- ✗ノイズシェーパーの安定性の無視 — Lee 安定性基準によるフルスケールの入力が > (L-1) /L になると L 次ループが不安定になる
- ✗オーバーサンプリング比とデシメーション比がわかりにくい — OSRが64倍でデシメーションが8倍の場合、正味のオーバーサンプリングは8倍のみ
- ✗帯域幅に関して不適切なオーバーサンプリング（20kHzで256倍）を選択すると、10.24MHzのサンプリングクロックが必要
- ✗帯域外ノイズの見落とし：ノイズシェーピングは高周波ノイズのパワーを増加させるため、適切なデシメーション・フィルタリングが必要
よくある質問
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