【イメージセンサ】ADC (A/D変換器)の種類

　ADC (Analog to Digital Converter，A/D変換器)はアナログ信号をデジタル信号に変換する電子回路です．本記事ではイメージセンサで良く使われるADCについて解説していきます．

ADCの種類

　ADC (Analog to Digital Converter，A/D変換器)はアナログ信号をデジタル信号に変換する電子回路です．ADCには様々あり，以下のようなものがあります．

　本記事ではイメージセンサで良く使われるシングルスロープADC，逐次比較ADC，サイクリックADC，ΔΣADCについて解説・比較します．

　シングルスロープADCは図１のような構造をしたADCです．画素からのアナログ信号と，電圧が徐々に上がるランプ信号をコンパレータに入力します．そしてランプ信号を始めたタイミングからランプ信号がアナログ信号より大きくなるまでをカウントすることで，アナログ信号をデジタル信号に変換します．

　シングルスロープADCはシンプルな構造で小型化しやすいですが，分解能を1ビット増やしたい場合は2倍の回数のクロック数が必要になるため，高分解能にしたい場合に高速変換することが難しい欠点があります．

　逐次比較（SAR）ADCでは、SARロジックが候補となるデジタルコードを決め、DACがそのコードに対応するアナログ電圧を生成します。コンパレータで入力電圧とDAC出力を比較しながら、上位ビットから順に各ビットを決定します。一般的にはN bit変換にN回程度の比較を行います。

　逐次比較ADCではNビットの分解能ではN回動作させればよいため，高分解能にしやすい特徴があります．しかし高分解能になるほどDACが大きくなってしまう構造をしているため，面積が大きくなる欠点があります．

　Cyclic ADCでは、入力または残差信号を少数bitで量子化し、DACで再構成した値を入力から差し引きます。その残差を増幅して同じ回路へ繰り返し入力することで、段階的に高い分解能を得ます。回路を繰り返し利用できるため、比較的小さな回路で高分解能化できます。

　サイクリックADCでは高精度のAmpが必要であるため，消費電力が大きい欠点があります．

　ΔΣ（デルタシグマ）ADCでは、オーバーサンプリングとフィードバックループを利用し、量子化ノイズを高周波側へ追いやるノイズシェーピングを行います。その後、デジタルフィルタとデシメーションによって不要な高周波成分を除去し、高分解能のデジタルデータを得ます。

　ΔΣADCは低ノイズですが，その反面に回路と動作が複雑で高速化が難しく，また消費電力や面積でも良くない欠点があります．

　今回紹介したADCの特徴を以下に示します。速度、面積、消費電力、ノイズ、分解能などは具体的な回路設計によって大きく変わるため、表はあくまで一般的な傾向として見てください。

ADC	シングルスロープ	逐次比較	サイクリック	ΔΣ
速度	×	〇	〇	×
消費電力	〇	〇	×	×
ノイズ	×	×	×	〇
面積	〇	×	〇	×

表１　各ADCの比較

　以上では単体のADCを紹介してきましたが，方式ごとによって利点・欠点あるため，複数のADCを組み合わせたハイブリッド型ADCも利用されます．