ADコンバータ（ADC08351）で発生するノイズついて

質問

現在、周波数500KHzでVp-p=1Vの交流信号を、ADC08351を用いてAD変換したいと考えております。仕様は以下のとおりです。
Vin=Vp-p=1V(基準電圧0V)
Vref=3.3V
/OE=0V（つまり常にHigh状態）
CLK=48MHz
VA=VD=3.3V
AGND=DGND=0V
これで、回路構成をデータシート（ADC08351）の10ページのようにしました。入力信号の部分は多少違うのですが、まずボルテージフォロアを通し出力抵抗を下げ、その後、コンデンサ（0.1uF）を通して直流成分をカットしておりますので、まず大丈夫だと考えております。デジタル電源とアナログ電源の間のチョークコイルは470uHのものを使用しております。パスコンの値はデータシートのとおりです。個人的には、これで万全だと思ったのですが、結果、VAやVD、またAVSSやDVSSなどにVp-p＝300mVほどのノイズがのっておりました。
原因が分からず困っております。もし、原因が分かる方がいましたら教えていただけると幸いです。
主な原因かは不明ですが、私は半田付けが非常に苦手で、回路構成は10ページのとおりなのですが、配線は結構汚くなっており、もしかするとこちらが原因なのでしょうか？

回答No.2

tance · ベストアンサー

tanceです。
高速のADコンバータをユニバーサル基板で作ると性能が出ません。
何となく動けば良いということならユニバーサル基板でOKです。

GNDについては、これだけで本が一冊書けるくらいの内容です。
要点をまとめると、「来た道を戻る」とか「ベタGNDの上を通す」
ということになりますが、もう少し具体的に説明します。

来た道を戻るというのは、厳密に来た道を戻るわけではなく、
「どこを通るか解らない状態は避ける」というのが真意です。
電流は最も流れやすい所を流れるので、戻り電流が流れやすい
ようにしてやれば良いのです。

ADからデジタル出力線が受けのICにつながっていますが、ここに
もう１本GND線を用意し、ADのGNDと受けのICのGNDを結びます。
その際、デジタル出力線に沿って（できるだけ離れずに）通します。

これは全ビットに対して実施します。見方を変えると８本のGND線
が並列に走ることになりますが、これを１本にしてしまっては
効果が減ってしまうのです。

ツイストペア線があれば一番良いでしょう。信号には必ずGNDが
対になっている、という原則を守るのです。

上記８本のGND線の代わりにベタGNDが使えるので、基板化するときは
ベタGNDの方が簡単です。

このように信号には帰り道のGND線が寄り添って走っているという
構成にすると、戻りの信号はわざわざ遠いGNDを通らずに寄り添った
GNDを通ります。その方が電流が流れやすいからです。これにより
汚い戻り電流はよそへは行かず、最短のコースで信号源に戻ります。

次にGNDの分離ですが、デジタルGNDとアナログGNDを分ける方が
良いでしょう。アナログGNDにはデジタルに関するGNDをつながない
ということになります。完全につながないのではなく、どこか１点で
両者を結びます。デジタルGNDからアナログGNDへの経路が複数あっては
なりません。

シール基板というのはADのICだけを載せる小さな基板ですか？
いずれにしてもクロック周波数が48MHzのICでパスコンまでの長さが
2cmというのは長すぎます。パスコンまでの配線が幅広のリボン状の
導体で配線されているならあり得ない距離ではありませんが、普通の
線材での配線では2cmはちょっとヤバイです。パスコンはシール基板
上に載せてください。

ユニバーサル基板であっても、GNDとして銅テープなどを使って
ベタに近い環境を作ることはできます。

あと、ノイズが300mVあるとのことですが、その波形は周期的で
しょうか。その周期が解るとノイズ源が特定できます。クロックなのか
元電源がもっているスイッチングノイズなのか、それとも信号
そのものなのか・・・etc.

クロック48MHzというスピードは甘く見ない方が良いと思います。

お礼

返事が遅れてしまい申し訳ありません。
ノイズ源は調べてみた結果、クロック周波数でしたのでクロックの
ノイズであることがわかりました。
信号が500KHzと低い周波数なので、クロックを6分周し、8MHzとしてみました。
ノイズはVp-p=200mVくらいと小さくはなったのですが、うまく復調することはできませんでした。
tanceさんがおっしゃるように銅テープを使うのも一つの手だと思うのですが、PCBE基板を作ってみたいと思います。
PCBE基板は今まで一度も作ったことはないのですが、勉強しがんばって作ろうと思います。
いろいろありがとうございました。

回答No.1

tance

データシートの10ページには回路が載っていないかったので
詳しいことは解りませんでしたが、高速のADコンバータをきちんと
動作させるのは結構むずかしいものです。一般論ですが、注意点を
挙げてみます。

１．クロックのジッタを思い切り減らす
２．GNDの構成を考える（汚い電流がアナログ部を通らないように）
３．デジタル出力のリターン電流を確保
４．パスコンなどのリード線を極力短くする
５．クロックなど、配線のインピーダンスに注意
６．信号源の高周波インピーダンスを下げる

これらを満たすにはユニバーサル基板に組んだのでは難しいと
思います。

一例ですが、ADコンバータのデジタル出力のどこかのビットが"L"
から"H"に変化したとします。ADの電源からそのビット線に電流が
流れ、配線を通って受けの素子に入ります。その電流は受けの
素子の入力インピーダンスに流れ（主に浮遊容量）ますが、
その先はどこへ行くでしょうか。GNDへ流れ込んで、あちこちを
経由して、結局は元のADに戻ります。この戻り経路が決まらないと
デリケートなアナログ信号源GNDを経由して流れるかもしれません。

デジタル信号は「汚い信号」と考えて良いので、このような構成では
ノイズがひどくなります。この戻り電流をきちんと「来た道を帰る」
ようにするには、デジタル信号に寄り添って専用のGNDを配置する
ことが効果があります。つまり、デジタル信号は必ずベタGNDの
すぐ上を通す必要があります。これはやはりプリント基板を
作らないと難しいですね。

よく誤解されるのですが、ベタGNDをしっかり設けないといけないのは
アナログ信号よりも、むしろデジタル信号の方です。

クロックのジッタは信号が500kHz以下ならあまり気にしなくても
良いと思います。

入力のボルテージフォロワは高周波特性の良いOPアンプを使う
必要があります。ここに汎用の安いOPを使うと性能が出ません。

パスコンのリード線の長さもmm単位で短く配線する必要があります。
ADのGNDや電源への配線もmm単位で短くしてください。

これらの配慮をして、GNDを適切に構成しても、オシロのプローブ
の当て方が悪いと正しい状態が観測できません。

オシロのGND線は使わないで、プローブ先端のGNDを数mm以下の
距離で適切なGNDにつないで観測すると正しい波形が得られます。
300mVのノイズが観測されたようですが、本当は30mVだったかも
しれないのです。

このように高速のADは簡単には性能が出ません。分解能だけは
出ますが、下2～3ビットがいつもばたついた汚い出力しか得られない
という結果になりがちです。データを平均処理しても固定
パターンのノイズがあると意味がありません。

まずはADの入力を切り離して、ADの端子の直近で0.1uFのCでGNDに
落として、出力データを読んでみてください。ここでLSB側が
ある程度ばたついていると思いますが、それがその配線での限界
です。アンプをつなぐと悪くなる場合にはアンプ側単体の改善が
必要です。

詳しく説明するといくらでも長くなるので、まずはこの辺で。

お礼

お早い回答ありがとうございます。

データシートの10ページは誤りでした。申し訳ありません。詳しくはP13、P14に書いてあるような回路構成となっております。(入力部は違いますが）
この回路構成を見たところ、デジタルとアナログのGNDは共通のものとなっておりますが、実際はP11のような回路構成を想定しているのでしょうか？（P11はアナログとデジタルのGNDは分けられているようにも見える気がします）。個人的にはユニバーサル基板でも大丈夫かと思ったのですが…。もし、そうであればこのADコンバータはユニバーサル基板で使うという想定はされていないということでしょうか？

また
＞この戻り経路が決まらないとデリケートなアナログ信号源GNDを経由して流れるかもしれません。
＞この戻り電流をきちんと「来た道を帰る」ようにするには、デジタル信号に寄り添って専用のGNDを配置することが効果があります。
つまり、デジタル信号は必ずベタGNDのすぐ上を通す必要があります。

この部分をよく理解していないのですが、特に「来た道を帰る」というのが、上手く理解できません。デジタル信号をアナログ信号の配線と重ねてしまうと、そちらにノイズがのってしまうので、デジタル信号はすべてデジタルGNDと重ねることにより、アナログ部にはノイズが伝わらないようにしているという理解でよろしいでしょうか？

また、現在ユニバーサル基板を使用していますが、ADコンバータを直接基板にのせるのではなく、まず、シール基板のようなものにADコンバータを取り付け、それをユニバーサル基板にのせる形となっております。この場合、ADコンバータからシール基板のピン部まで2cmほどありますので、そこからパスコンのリード線をmm単位で短くし取り付けたとしても、あまり意味がないのではないかと思ったのですが、そのあたりはどうでしょうか？

再び質問する形になってしまいましたが、お時間があれば回答していただけると幸いです。