KR100345668B1 - Digital to analog converter for minimizing error due to mismatch of capacitors - Google Patents

Digital to analog converter for minimizing error due to mismatch of capacitors Download PDF

Info

Publication number
KR100345668B1
KR100345668B1 KR1019990025821A KR19990025821A KR100345668B1 KR 100345668 B1 KR100345668 B1 KR 100345668B1 KR 1019990025821 A KR1019990025821 A KR 1019990025821A KR 19990025821 A KR19990025821 A KR 19990025821A KR 100345668 B1 KR100345668 B1 KR 100345668B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
signal
output
signals
digital
generation circuit
Prior art date
Application number
KR1019990025821A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20010005034A (en
Inventor
이범하
송정우
Original Assignee
주식회사 하이닉스반도체
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 하이닉스반도체 filed Critical 주식회사 하이닉스반도체
Priority to KR1019990025821A priority Critical patent/KR100345668B1/en
Publication of KR20010005034A publication Critical patent/KR20010005034A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100345668B1 publication Critical patent/KR100345668B1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/06Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters
    • H03M1/0602Continuously compensating for, or preventing, undesired influence of physical parameters of deviations from the desired transfer characteristic
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/66Digital/analogue converters
    • H03M1/74Simultaneous conversion
    • H03M1/80Simultaneous conversion using weighted impedances
    • H03M1/802Simultaneous conversion using weighted impedances using capacitors, e.g. neuron-mos transistors, charge coupled devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)
  • Analogue/Digital Conversion (AREA)

Abstract

본 발명은 랜덤 디코딩 방식으로 커패시터 간의 부정합으로 인해 발생하는 하모닉 디스토션을 최소화한 D/A 변환 장치를 제공하기 위한 것으로, 이를 위해 본 발명은 내부에 다수의 커패시터를 구비하여 상기 커패시터들 간의 부정합으로 인해 발생되는 하모닉 디스토션을 최소화한 디지털-아날로그 변환 장치에 있어서, 외부로부터 디지털 입력 신호를 인가받아 N비트(N은 자연수)의 신호로 시그마-델타 변환하기 위한 N비트 시그마-델타 변환 수단; 상기 시그마-델타 변환 수단으로부터 출력되는 상기 N비트 신호를 입력받아 디코딩하여 2N개의 신호를 출력하기 위한 디코딩 수단; 상기 디코딩 수단으로부터 출력되는 상기 2N개의 신호를 랜덤화하기 위한 랜덤 발생 회로부; 및 상기 랜덤 발생 회로부로부터 출력되는 랜덤화된 신호를 입력받아 로우 패스 필터링 동작을 수행한 후 상기 디지털 입력 신호에 대해 변환된 최종 아날로그 출력 신호를 출력하기 위한 스위치드-커패시터 필터링 수단을 포함한다.The present invention is to provide a D / A conversion device that minimizes the harmonic distortion caused by mismatch between the capacitors by a random decoding method, for this purpose the present invention is provided with a plurality of capacitors inside due to mismatch between the capacitors A digital-to-analog conversion device with minimized harmonic distortion, comprising: N-bit sigma-delta conversion means for receiving a digital input signal from the outside and converting the sigma-delta into a N-bit signal (N is a natural number); Decoding means for receiving and decoding the N-bit signal output from the sigma-delta conversion means and outputting 2 N signals; A random generation circuit section for randomizing the 2 N signals output from the decoding means; And switched-capacitor filtering means for outputting a final analog output signal converted to the digital input signal after performing a low pass filtering operation by receiving the randomized signal output from the random generation circuit unit.

Description

커패시터 간의 부정합에 의한 에러를 최소화한 디지털-아날로그 변환 장치{DIGITAL TO ANALOG CONVERTER FOR MINIMIZING ERROR DUE TO MISMATCH OF CAPACITORS}DIGITAL TO ANALOG CONVERTER FOR MINIMIZING ERROR DUE TO MISMATCH OF CAPACITORS

본 발명은 신호 변환 장치에 관한 것으로, 특히 공정 상에서 불가피하게 발생하는 커패시터 간의 부정합에 의한 성능 저하를 최소화한 디지털-아날로그 변환기(Digital to Analog converter, 이하 D/A 변환기라 함)에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a signal converter, and more particularly, to a digital-to-analog converter (hereinafter referred to as a D / A converter) which minimizes performance degradation due to mismatch between capacitors inevitably occurring in a process.

잘 알려진 바와 같이, D/A 변환기는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환시키기 위한 장치이다.As is well known, D / A converters are devices for converting digital signals into analog signals.

일반적인 D/A 변환기의 경우 반도체 공정 상에서 커패시터들 간의 부정합이발생하게 되고, 이러한 부정합으로 인하여 D/A 변환기로부터 하모닉 디스토션(harmonic distortion)이 발생된다. 따라서, 종래의 이러한 D/A 변환기는 신호 대 하모닉 디스토션의 비(Signal-to-Harmonic distortion rate)가 감소하여 전체 성능이 저하되는 문제를 가진다.In a typical D / A converter, a mismatch between capacitors occurs in a semiconductor process, and this mismatch causes harmonic distortion from the D / A converter. Therefore, such a conventional D / A converter has a problem in that the signal-to-harmonic distortion ratio (Signal-to-Harmonic distortion rate) is reduced to reduce the overall performance.

한편, 음성신호 처리 시 많이 사용되는 고분해능의 음성신호용 D/A 변환기는 통상 시그마-델타 변환 방식(sigma-delta modulation)을 사용한다. 시그마-델타 변환은 이미 널리 공지된 기술 내용이므로 그에 대한 상세한 설명은 여기서 생략한다.On the other hand, D / A converters for high resolution speech signals, which are frequently used in speech signal processing, typically use sigma-delta modulation. The sigma-delta transformation is already well known technology, and a detailed description thereof is omitted here.

도 1은 시그마-델타 변환 방식의 1비트 시그마-델타 변환기를 구비하는 D/A 변환기로서, 디지털 입력 신호를 인가받아 시그마-델타 변환하는 1비트 시그마-델타 변환기(10)와, 시그마-델타 변환기(10)로부터 출력되는 1비트 신호에 대한 로우 패스 필터링(low pass filtering) 동작을 수행한 후 아날로그 출력 신호를 내보내는 스위치드-커패시터 필터(12)로 구성된다.1 is a D / A converter having a 1-bit sigma-delta converter of a sigma-delta conversion method, and a 1-bit sigma-delta converter 10 for receiving a digital input signal and converting a sigma-delta, and a sigma-delta converter. And a switched-capacitor filter 12 for outputting an analog output signal after performing a low pass filtering operation on the 1-bit signal output from (10).

구체적으로, 1비트 시그마-델타 변환기(10)는 디지털 입력 신호를 외부로부터 입력받아 도 2에 도시된 바와 같이 고주파 영역에서의 잡음 준위가 높은 1비트 신호(도2의 (a))로 변환한다. 계속해서, 스위치드-커패시터 필터(12)에서 상기 시그마-델타 변환기(10)로부터의 1비트 신호를 로우 패스 필터링하여 아날로그 출력 신호로 내보내게 된다. 그러나, 스위치드-커패시터 필터(12)를 통한 필터링 동작 후에도 여전히 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 잡음의 준위가 높아 D/A 변환기의 성능이 떨어지게 된다.Specifically, the 1-bit sigma-delta converter 10 receives a digital input signal from the outside and converts the digital input signal into a 1-bit signal having a high noise level in the high frequency region as shown in FIG. 2 ((a) of FIG. 2). . Subsequently, the switched-capacitor filter 12 low pass filters the 1-bit signal from the sigma-delta converter 10 and outputs it as an analog output signal. However, even after the filtering operation through the switched-capacitor filter 12, the noise level is still high as shown in FIG.

이러한 문제를 극복하기 위해 스위치드-커패시터 필터(12)의 차수를 증가시켜 구성할 수도 있으나, 이러한 경우에는 필터의 필터링 동작 자체가 불안정해질 가능성이 높으며, 커패시터 간의 부정합에 의해 전체 필터의 전달함수가 변하는 정도가 증가하는 등의 또다른 문제가 생긴다.In order to overcome this problem, it may be configured by increasing the order of the switched-capacitor filter 12, but in this case, the filtering operation of the filter itself is likely to become unstable, and the transfer function of the entire filter is changed by mismatch between capacitors. Another problem arises, such as increased degree.

따라서, 최근에는 D/A 변환기의 구성 시 다수 비트(multi bit)를 출력하는 시그마-델타 변환기를 채용하여 잡음 준위를 낮추는 방식이 사용되고 있다.Therefore, recently, a method of lowering a noise level by employing a sigma-delta converter that outputs multiple bits when configuring a D / A converter has been used.

도 3은 다수 비트 출력의 시그마-델타 변환기를 구비하는 D/A 변환기로서, 디지털 입력 신호를 인가받아 다수 비트의 신호로 시그마-델타 변환하는 N비트 시그마-델타 변환기(20)와, 시그마-델타 변환기(20)로부터 출력되는 N비트 신호를 입력받아 디코딩하여 2N개의 신호를 출력하는 디코더(22)와, 상기 디코더(22)로부터 출력되는 2N개의 신호에 대한 로우 패스 필터링 동작을 수행한 후 아날로그 출력 신호를 내보내는 스위치드-커패시터 필터(24)로 구성된다.3 is a D / A converter having a sigma-delta converter with a multi-bit output, an N-bit sigma-delta converter 20 for receiving a digital input signal and converting a sigma-delta into a multi-bit signal, and a sigma-delta converter. after performing a second low pass filtering operation for the N signals output from the decoder 22 and the decoder 22 for the input received decoding the N-bit signal and outputs a second N signals output from the converter 20 It consists of a switched-capacitor filter 24 which outputs an analog output signal.

상기 도 3의 N 비트 시그마-델타 변환기(20)와 같이 출력 비트 수가 증가하는 경우 시그마-델타 변환기(20)로부터 출력되는 신호의 고주파 영역에서의 잡음 성분이 (6.02 ×출력 비트수)만큼 감소하고(도 4의 (c)), 그에 따라 스위치드-커패시터 필터(12)를 통한 필터링 동작 후의 잡음 준위 역시 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이 잡음의 준위가 다소 낮아진다.When the number of output bits increases, as in the N-bit sigma-delta converter 20 of FIG. 3, the noise component in the high frequency region of the signal output from the sigma-delta converter 20 decreases by (6.02 × number of output bits). (C) of FIG. 4, therefore, the noise level after the filtering operation through the switched-capacitor filter 12 also slightly lowers the noise level as shown in FIG. 4 (d).

그러나, 도 3에서와 같이 N비트 시그마-델타 변환기(20)를 이용한 D/A 변환기는 도 5에서와 같이 다수개의 커패시터를 사용하여 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하게 된다.However, the D / A converter using the N-bit sigma-delta converter 20 as shown in FIG. 3 converts the digital signal into an analog signal using a plurality of capacitors as shown in FIG.

도 5는 상기 도 3의 스위치드-커패시터 필터의 내부 회로도로서, 연산 증폭기(30)와, 연산 증폭기(30)의 반전 입력단(-)과 기준 전압단(Vref) 사이에 병렬로 연결되는 다수의 커패시터(C1, C2, C3, …, Cn)와, 연산 증폭기(30)의 아날로그 신호의 출력 레벨을 조절하기 위한 저항(R) 및 커패시터(Cf)로 이루어진다.FIG. 5 is an internal circuit diagram of the switched-capacitor filter of FIG. 3 and includes a plurality of capacitors connected in parallel between an operational amplifier 30 and an inverting input terminal (−) and a reference voltage terminal Vref of the operational amplifier 30. (C1, C2, C3, ..., Cn), and a resistor (R) and a capacitor (Cf) for adjusting the output level of the analog signal of the operational amplifier 30.

일반적으로, 상기 도 5의 커패시터와 같은 고정밀의 커패시터는 두 개의 폴리층(poly)을 스택(stack)으로 쌓아 이 두 층간의 커패시턴스를 이용하여 만들어지는 데, 통상의 모든 반도체 공정은 시간적, 공간적으로 상기 커패시터 간의 부정합을 야기하게 된다. 이러한 부정합의 주된 원인은 두 폴리층을 전기적으로 분리시키는 산화층(oxide)의 두께가 일정하지 않고, 도 6에서와 같이 산화층의 두께(X)가 일정한 방향으로 단조 증가하거나, 특정 영역에서는 두껍고 이 영역에서 멀어질수록 감소하는 등의 분포를 가짐으로써 이러한 산화층의 두께차로 인해 두 개의 폴리층으로 구성된 커패시터의 용량값에 대한 오차가 발생하기 때문이다.In general, a high-precision capacitor such as the capacitor of FIG. 5 is formed by stacking two poly layers into a stack, and using the capacitance between the two layers. All conventional semiconductor processes are performed in terms of time and space. This will cause mismatch between the capacitors. The main cause of this mismatch is that the thickness of the oxide layer (oxide) that electrically separates the two poly layers is not constant, and as shown in FIG. 6, the thickness (X) of the oxide layer is monotonically increased in a constant direction or is thick in a specific region. This is because an error in the capacitance of a capacitor composed of two poly layers occurs due to the thickness difference of the oxide layer by having a distribution such as decreases as the distance increases from.

한편, 이와 같은 구성의 D/A 변환기는 도 5에서와 같이 다수개의 입력 커패시터(C1, C2, C3, …, Cn) 중 입력값에 해당하는 만큼을 충전시킨 후 이를 연산증폭기(30), 또다른 커패시터(Cf) 및 스위칭(S1, S2, …, Sn, Sf)을 이용하여 아날로그 신호로 변환시킨다. 또한, 종래의 D/A 변환기는 디코더(22)를 사용하여 N비트 시그마-델타 변환기(20)로부터 입력되는 디지털 신호를 충전한 커패시터의 수만큼 선택한 후 다수개의 커패시터를 왼쪽부터 차례대로 충전하도록 하였다. 일예로 3비트 D/A 변환기를 예로 들면 아래 표 1과 같다.Meanwhile, the D / A converter having such a configuration charges the input value corresponding to the input value among the plurality of input capacitors C1, C2, C3, ..., Cn, as shown in FIG. Other capacitors Cf and switching (S1, S2, ..., Sn, Sf) are converted into an analog signal. In addition, the conventional D / A converter uses the decoder 22 to select the number of capacitors charged with the digital signal input from the N-bit sigma-delta converter 20 and charge the plurality of capacitors sequentially from the left. . As an example, a 3-bit D / A converter is shown in Table 1 below.

디지털 입력 신호Digital input signal 디코더의 출력The output of the decoder 최종 아날로그 출력 신호Final analog output signal 000000 00000000000000 00 001001 00000010000001 1/81/8 010010 00000110000011 2/82/8 011011 00001110000111 3/83/8 100100 00011110001111 4/84/8 101101 00111110011111 5/85/8 110110 01111110111111 6/86/8 111111 11111111111111 7/87/8

상기 도 3의 D/A 변환기를 사용하여 상기 표 1에서와 같이 디지털 입력 신호를 아날로그 출력 신호로 변환하는 경우, 커패시터 간의 부정합으로 인해 디지털 입력 신호에 에러 성분이 포함되어 있는 것과 같은 영향을 미치게 된다. 즉, 디지털 입력 신호가 커패시터의 부정합에 해당하는 에러를 가지는 것과 마찬가지이다. 이러한 에러 성분은 신호 성분의 왜곡을 초래한다. 이러한 에러를 가진 D/A 변환기로부터 출력되는 아날로그 출력 신호의 주파수 성분을 분석해 보면, 디지털 입력 신호의 주파수의 하모닉 성분들이 발생한다. 즉, 커패시터 간의 부정합은 전체 D/A 변환기의 하모닉 디스토션을 야기하게 된다.When the digital input signal is converted into an analog output signal as shown in Table 1 using the D / A converter of FIG. 3, an error component is included in the digital input signal due to mismatch between capacitors. . That is, it is as if the digital input signal had an error corresponding to the mismatch of the capacitors. This error component causes distortion of the signal component. Analyzing the frequency component of the analog output signal output from the D / A converter with this error, harmonic components of the frequency of the digital input signal occur. That is, mismatch between capacitors will cause harmonic distortion of the entire D / A converter.

일반적인 CMOS 공정을 이용할 경우 이러한 커패시터 간의 부정합은 0.1% 정도이고, 이때 D/A 변환기의 분해능은 10비트 정도가 된다. 따라서, 10비트 이상의 분해능을 가지는 D/A 변환기를 구현하기 위해서는 정밀도가 더 우수한 공정을 사용하거나 하모닉 디스토션을 제거할 수 있는 별도의 설계 기법이 요구된다.Using a typical CMOS process, the mismatch between these capacitors is about 0.1%, and the resolution of the D / A converter is about 10 bits. Therefore, implementing a D / A converter with 10-bit or higher resolution requires a separate design technique that can use a higher precision process or eliminate harmonic distortion.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 랜덤 디코딩 방식으로 커패시터 간의 부정합으로 인해 발생하는 하모닉 디스토션을 최소화한 D/A 변환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a D / A conversion apparatus which minimizes harmonic distortion caused by mismatch between capacitors in a random decoding scheme.

도 1은 시그마-델타 변환 방식의 1비트 시그마-델타 변환기를 구비하는 D/A 변환기에 대한 블록도.1 is a block diagram of a D / A converter with a 1-bit sigma-delta converter in a sigma-delta conversion scheme.

도 2는 상기 도 1의 D/A 변환기에서 1비트 시그마-델타 변환기로부터의 1 비트 신호 및 스위치드-커패시터 필터로부터의 신호에 대한 신호 및 잡음 특성도.2 is a signal and noise characteristic diagram for a 1 bit signal from a 1 bit sigma-delta converter and a signal from a switched-capacitor filter in the D / A converter of FIG.

도 3은 다수 비트 출력의 시그마-델타 변환기를 구비하는 D/A 변환기에 대한 블록도.3 is a block diagram of a D / A converter having a sigma-delta converter with a multiple bit output.

도 4는 상기 도 3의 D/A 변환기에서 다수 비트 시그마-델타 변환기로부터의 신호 및 스위치드-커패시터 필터로부터의 신호에 대한 신호 및 잡음 특성도.4 is a signal and noise characteristic diagram for a signal from a multi-bit sigma-delta converter and a signal from a switched-capacitor filter in the D / A converter of FIG.

도 5는 상기 도 3의 스위치드-커패시터 필터의 내부 회로도.5 is an internal circuit diagram of the switched-capacitor filter of FIG.

도 6은 공정에 따른 커패시터의 부정합을 일으키는 두 유형에 대한 특성도.6 is a characteristic diagram of two types causing mismatch of capacitors according to process.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 D/A 변환기에 대한 블록도.7 is a block diagram of a D / A converter according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 상기 도 7의 랜덤 발생 회로부를 구성하는 단위 랜덤 발생 회로부에 대한 도면.FIG. 8 is a diagram of a unit random generation circuit unit constituting the random generation circuit unit of FIG. 7 according to an embodiment of the present invention; FIG.

도 9는 상기 도 8의 단위 랜덤 발생 회로부로 입력되는 제어신호(Pass, Exchange)를 발생하는 제어 신호 발생부의 내부 회로도.FIG. 9 is an internal circuit diagram of a control signal generation unit generating control signals Pass and Exchange input to the unit random generation circuit unit of FIG. 8.

도 10은 시그마-델타 변환기의 출력이 3비트인 경우를 일예로하여 구성한 랜덤 발생 회로부에 대한 블록도.Fig. 10 is a block diagram of a random generation circuit unit constructed by taking an example where an output of a sigma-delta converter is 3 bits.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명* Description of the main parts of the drawing

40 : N비트 시그마-델타 변환기40: N-bit sigma-delta converter

42 : 디코더42: decoder

44 : 랜덤 발생 회로부44: random generation circuit

46 : 스위치드-커패시터 필터46: switched capacitor filter

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부에 다수의 커패시터를 구비하여 상기 커패시터들 간의 부정합으로 인해 발생되는 하모닉 디스토션을 최소화한 디지털-아날로그 변환 장치에 있어서, 외부로부터 디지털 입력 신호를 인가받아 N비트(N은 자연수)의 신호로 시그마-델타 변환하기 위한 N비트 시그마-델타 변환 수단; 상기 시그마-델타 변환 수단으로부터 출력되는 상기 N비트 신호를 입력받아 디코딩하여 2N개의 신호를 출력하기 위한 디코딩 수단; 상기 디코딩 수단으로부터 출력되는 상기 2N개의 신호를 랜덤화하기 위한 랜덤 발생 회로부; 및 상기 랜덤 발생 회로부로부터 출력되는 랜덤화된 신호를 입력받아 로우 패스 필터링 동작을 수행한 후 상기 디지털 입력 신호에 대해 변환된 최종 아날로그 출력 신호를 출력하기 위한 스위치드-커패시터 필터링 수단을 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, the present invention provides a digital-to-analog converter having a plurality of capacitors therein and minimizing harmonic distortion caused by mismatch between the capacitors. N-bit sigma-delta conversion means for sigma-delta conversion into a signal of which N is a natural number; Decoding means for receiving and decoding the N-bit signal output from the sigma-delta conversion means and outputting 2 N signals; A random generation circuit section for randomizing the 2 N signals output from the decoding means; And switched-capacitor filtering means for receiving a randomized signal output from the random generation circuit unit and performing a low pass filtering operation to output a final analog output signal converted to the digital input signal.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.

본 발명은 공정 상에서 발생하는 커패시터 간의 부정합에 의한 영향을 최소화시키기 위해 하모닉 디스토션을 랜덤 잡음으로 변환시킨다. 다시 말해, 디코더로부터 출력되는 신호에 해당하는 개수의 커패시터를 충전시킬 때 충전시키는 커패시터를 일정한 규칙에 따라 충전시키지 않고, 랜덤화하여 커패시터 부정합 에러를 랜덤 에러로 변환시킴으로써 하모닉 디스토션에 해당하는 에러를 나이퀴스트(Nyquist) 주파수 대역에 고루 분포시켜 잡음을 최소화한다.예를 들어 보면 8bit의 스위치드-커패시터 필터를 구비하는 디지털-아날로그 변환기를 생각해보면, 상기에서 설명한 디코더는 256개의 출력신호를 가지게 되고, 각각의 출력신호는 같은 크기의 256개의 커패시터에 각각 연결되게 된다.이중에서 수십여개 정도의 커패시터가 공정등 기타의 문제로 다른 커패시터와 부정합이 발생하게 되고, 디코더로부터 출력 되는 신호에 해당하는 개수 만큼의 커패시터를 충전시킬 때 충전시키는 커패시터를 일정한 규칙으로 충전시킨다면 디지털-아날로그 변환기에 의해 아날로그로 변환된 값은 항상 부정합된 커패시터의 에러만큼을 가지는 아날로그 값이 출력되어 실제 데이터 값과는 오차가 발생된다.여기서 커패시터의 부정합 오차가 0.1% 정도 발생하다고 보면 해상도 10bit 이상을 가지는 스위치드-커패시터 필터를 이용한 디지털-아날로그 변환기를 구현하기가 어려워지게 된다.그러나 본발명에 의해 디코더의 출력을 일정한 규칙을 가지지 않는 랜덤형식의 데이터로 변환하여 커패시터를 충전시킨다면 부정합이 발생한 커패시터가 계속 충전되는 현상이 생기지 않고 어떤 디코딩 값에도 모든 커패시터가 같은 확률로 충전되어 커패시터 부정합에 의한 에러의 영향이 줄게 되고, 이로 인하여 16비트이상의 고분해능의 디지털-아날로그 변환기를 구현할 수 있게 된다. 즉, 스위치드-커패시터 필터를 이용한 디지털-아날로그 변환기를 종전의 구조와 공정을 가지고도 고분해능으로 구현할 수 있는 효과를 본원발명에 의해서 가지게 된다.The present invention converts the harmonic distortion into random noise to minimize the effects of mismatches between capacitors occurring in the process. In other words, when charging the number of capacitors corresponding to the signal output from the decoder, instead of charging the capacitors according to a certain rule, randomizing them and converting the capacitor mismatch error into a random error causes the error corresponding to the harmonic distortion to age. It is evenly distributed over the Nyquist frequency band to minimize noise. For example, consider a digital-to-analog converter with an 8-bit switched-capacitor filter. The decoder described above has 256 output signals, Each output signal is connected to 256 capacitors of the same size, and dozens of capacitors are mismatched with other capacitors due to other problems such as process and the like. To charge the capacitor when charging If the capacitor is charged according to a certain rule, the value converted to analog by the digital-to-analog converter always outputs an analog value having the error of the mismatched capacitor, and thus an error is generated from the actual data value. If the percentage occurs, it becomes difficult to implement a digital-to-analog converter using a switched-capacitor filter having a resolution of more than 10 bits, but according to the present invention, the output of the decoder is converted into random data having no regular rules and thus the capacitor Charging does not cause the capacitor to be mismatched and all capacitors are charged with the same probability at any decoding value, thereby reducing the error caused by capacitor mismatch. This results in a high resolution digital-to-analog converter with more than 16 bits. phrase It can be manifested. In other words, the present invention has an effect that a digital-to-analog converter using a switched-capacitor filter can be implemented with high resolution even with a conventional structure and process.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 D/A 변환기에 대한 블록도로서, 디지털 입력 신호를 인가받아 다수 비트의 신호로 시그마-델타 변환하는 N비트 시그마-델타 변환기(40)와, 시그마-델타 변환기(40)로부터 출력되는 N비트 신호를 입력받아 디코딩하여 2N개의 신호를 출력하는 디코더(42)와, 상기 디코더(42)로부터 출력되는 2N개의 신호를 랜덤화하기 위한 랜덤 발생 회로부(44)와, 랜덤 발생 회로부(44)로부터 출력되는 신호에 응답하여 로우 패스 필터링 동작을 수행한 후 아날로그 출력 신호를 내보내는 스위치드-커패시터 필터(46)로 이루어진다.FIG. 7 is a block diagram of a D / A converter according to an embodiment of the present invention. An N-bit sigma-delta converter 40 and a sigma- sigma-delta converter are applied to a multi-bit signal by receiving a digital input signal. A decoder 42 for receiving and decoding an N-bit signal output from the delta converter 40 and outputting 2 N signals, and a random generation circuit unit for randomizing the 2 N signals output from the decoder 42 ( 44 and a switched-capacitor filter 46 for performing a low pass filtering operation in response to a signal output from the random generation circuit unit 44 and then outputting an analog output signal.

도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예적인 동작을 설명하면 아래와 같다.Referring to the drawings, an exemplary operation of the present invention will be described below.

본 발명의 시그마-델타 변환 방식의 D/A 변환기로 입력되는 디지털 입력 신호는 N비트 시그마-델타 변환기(40)를 통하여 잡음 성분이 고주파 대역에 존재하는 N비트의 신호로 변환되고, 이 N비트 신호는 디코더(42)로 입력되어 2N개의 신호로 디코딩된다. 이렇게 디코딩된 신호는 랜덤 발생 회로부(44)로 입력되어 입력신호의 규칙성이 제거된 후 스위치드-커패시터 필터(46)에서 아날로그 출력 신호로 최종적으로 변환된다. 상기와 같이 변환된 최종 아날로그 출력 신호의 경우, 스위치드-커패시터 필터(46)를 구성하는 다수의 커패시터 간의 부정합에 의한 에러가 랜덤 에러로 변환되어 종래의 D/A 변환기와 달리 하모닉 디스토션을 발생시키지 않는다.The digital input signal input to the D / A converter of the sigma-delta conversion method of the present invention is converted into an N-bit signal in which a noise component exists in a high frequency band through the N-bit sigma-delta converter 40, and this N-bit The signal is input to the decoder 42 and decoded into 2 N signals. The decoded signal is input to the random generator circuit 44 to remove the regularity of the input signal and finally converted into an analog output signal by the switched-capacitor filter 46. In the case of the final analog output signal converted as described above, an error due to mismatch between a plurality of capacitors constituting the switched-capacitor filter 46 is converted into a random error so that it does not generate harmonic distortion unlike a conventional D / A converter. .

상기의 랜덤 에러는 나이퀴스트 주파수 대역에 균일하게 분포하게 되며, 오버샘플링 방식을 이용하는 시그마-델타 방식의 D/A 변환기는 신호의 주파수 대역 대 나이퀴스트 주파수 대역(1/2 × 샘플링 주파수)이 매우 낮으므로 신호 대역에서 커패시터 부정합으로 인한 랜덤 에러의 잡음 준위의 상승은 매우 작으며, 특히 종래의 방식을 사용했을 때 발생하는 하모닉 디스토션에 의한 성능 저하와 비교할 때 매우 큰 성능의 향상을 가져온다.The random error is uniformly distributed in the Nyquist frequency band, and the sigma-delta D / A converter using the oversampling method has a frequency band versus a Nyquist frequency band (1/2 × sampling frequency) of the signal. This very low rise in the noise level of the random error due to capacitor mismatch in the signal band is very small, resulting in a significant performance improvement, especially when compared to the performance degradation caused by harmonic distortion, which occurs when using conventional methods.

이에 본 발명에서는 디코더(42)로부터 출력되는 2N개의 신호를 랜덤 신호로 변환하기 위하여 도 8에 도시된 바와 같은 단위 랜덤 발생부를 구비한다.Accordingly, in the present invention, a unit random generator as shown in FIG. 8 is provided to convert 2 N signals output from the decoder 42 into random signals.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 상기 도 7의 랜덤 발생 회로부를 구성하는 단위 랜덤 발생 회로부로서, 두 개의 입력(in1, in2)과 두 개의 출력(o1, o2)을 가지며, 단위 랜덤 발생 회로부로 입력된 이전의 입력과 현재 단위 랜덤 발생 회로부로 입력되는 현재의 입력을 조합하여 입력 신호(in1, in2)를 그대로 출력(o1, o2)하거나, 입력 신호(in1, in2)를 서로 바뀌어 출력(o2, o1)한다. 이러한 단위 랜덤 발생 회로부의 동작은 제어신호(Pass, Exchange)에 의해 제어된다.8 is a unit random generation circuit unit constituting the random generation circuit unit of FIG. 7 according to an embodiment of the present invention, and has two inputs (in1 and in2) and two outputs (o1 and o2) and generates unit random. Combining the previous input to the circuit section and the current input to the current unit random generation circuit section, output the input signals in1 and in2 as it is or output the input signals in1 and in2. (o2, o1). The operation of the unit random generation circuit unit is controlled by control signals Pass and Exchange.

도 9는 상기 도 8의 단위 랜덤 발생 회로부로 입력되는 제어신호(Pass, Exchange)를 발생하는 제어 신호 발생부로서, 하나의 입력신호(in1)와 또다른 하나의 입력신호(in2)를 입력받아 배타적 논리합하는 배타적 논리합 게이트(48)와, 클럭 신호(CLK)에 응답하여 배타적 논리합 게이트(48)의 출력(T1)을 에지 트리거링하여 출력단(Q)으로 내보내는 D 플립플롭(50)과, 상기 배타적 논리합 게이트(48)의 출력 신호(T1)와 상기 D 플립플롭(50)의 출력단(Q)으로부터의 신호를 입력받아 두 신호를 서로 배타적 논리합하여 제어신호(Exchange)를 출력하는 배타적 논리합 게이트(52)와, 배타적 논리합 게이트(52)의 출력 신호를 반전하여 또다른 제어신호(Pass)를 출력하는 인버터(54)로 이루어진다.FIG. 9 is a control signal generator for generating control signals Pass and Exchange input to the unit random generation circuit of FIG. 8, and receives one input signal in1 and another input signal in2. An exclusive OR gate 48 for exclusive OR, a D flip-flop 50 for edge triggering the output T1 of the exclusive OR gate 48 to the output terminal Q in response to the clock signal CLK, and the exclusive OR An exclusive OR gate 52 for receiving the output signal T1 of the OR gate 48 and the signal from the output terminal Q of the D flip-flop 50 and ORing the two signals exclusively with each other to output a control signal Exchange. And an inverter 54 which inverts the output signal of the exclusive OR gate 52 and outputs another control signal Pass.

상기와 같이 구성된 제어 신호 발생부는 두 개의 입력 신호(in1, in2) 중 하나만 '1'인 경우에, 배타적 논리합 게이트(48)를 통해 출력 신호(T1)가 '1'이 되고, D 플립플롭(50)과 배타적 논리합 게이트를 통해 이전의 출력이 제어신호(Exchange)가 인에이블된 경우면 다음에는 다른 제어신호(Pass)를 인에이블시키고, 이전의 출력이 제어신호(Pass)가 인에이블된 경우이면 다음에는 제어신호(Exchange)를 인에이블시켜 출력하도록 함으로써 입력 신호의 규칙성을 제거한다.When only one of the two input signals in1 and in2 is configured to be '1', the control signal generator configured as described above outputs the output signal T1 to '1' through the exclusive OR gate 48, and the D flip-flop ( 50) and the previous output is enabled when the control signal (Exchange) is enabled through the exclusive OR gate, then another control signal (Pass) is enabled, the previous output is enabled by the control signal (Pass) After that, the regularity of the input signal is eliminated by enabling the control signal (Exchange) to be output.

도 10은 시그마-델타 변환기의 출력이 3비트인 경우를 일예로하여 구성한 랜덤 발생 회로부로서, 도시된 단위 랜덤 발생부의 구성은 상기 도 8과 동일하며, 이러한 단위 랜덤 발생부를 FFT(Fast Fourier Transform)에서와 같이 버터플라이(butterfly) 방식의 연결을 사용하여 3단 어레이로 구성되며, 이를 통해 디코더(42)로부터 출력되는 8개의 입력 신호(in0 내지 in7)를 현재의 입력과 이전의 입력신호의 조합을 통하여 랜덤화함으로써, 디코더의 출력신호의 규칙성을 제거하고, 이를 랜덤 신호로 변환하여 오버샘플링 방식의 시그마-델타 변환기를 구비한 D/A 변환기의 성능을 향상시킨다.FIG. 10 is a random generation circuit unit configured with an example in which an output of a sigma-delta converter is 3 bits. The unit random generation unit illustrated in FIG. 10 is the same as that of FIG. 8, and the unit random generation unit is the FFT (Fast Fourier Transform). It is composed of a three-stage array using a butterfly-type connection as in the above, through which the eight input signals (in0 to in7) output from the decoder 42 are combined with the current input and the previous input signal. By randomizing through, the regularity of the output signal of the decoder is removed, and the random signal is converted into a random signal to improve the performance of the D / A converter having an oversampling sigma-delta converter.

상술한 바와 같은 랜덤 디코딩 방식으로 커패시터 간의 부정합으로 인해 발생하는 하모닉 디스토션을 최소화하는 기술은 통상의 나이퀴스트 D/A 변환기에서도 적용이 가능하다.The technique of minimizing harmonic distortion caused by mismatch between capacitors by the random decoding scheme as described above is applicable to a conventional Nyquist D / A converter.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical idea of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 랜덤 디코딩 방식을 사용하여 커패시터 간의 부정합으로 인해 발생하는 하모닉 디스토션을 최소화함으로써 10비트 정도의 분해능을 가지는 공정에서 16비트 이상의 고분해능의 D/A 변환기를 구현할 수 있는 효과가 있다.The present invention as described above, by using a random decoding method to minimize the harmonic distortion caused by the mismatch between the capacitors have the effect of implementing a 16-bit or higher high-resolution D / A converter in a process having a resolution of about 10 bits have.

이러한 본 발명의 기술은 커패시터를 사용하는 D/A 변환기에 모두 적용이 가능하며, 특히 샘플링 주파수가 매우 높은 오버샘플링 방식의 D/A 변환기에서 높은 성능 향상 효과를 거둘 수 있다.The technique of the present invention can be applied to all D / A converters using capacitors, and in particular, a high performance improvement effect can be obtained in an oversampling D / A converter having a very high sampling frequency.

Claims (4)

내부에 다수의 커패시터를 구비하여 상기 커패시터들 간의 부정합으로 인해 발생되는 하모닉 디스토션을 최소화한 디지털-아날로그 변환 장치에 있어서,In the digital-to-analog converter having a plurality of capacitors inside to minimize the harmonic distortion caused by mismatch between the capacitors, 외부로부터 디지털 입력 신호를 인가받아 N비트(N은 자연수)의 신호로 시그마-델타 변환하기 위한 N비트 시그마-델타 변환 수단;N-bit sigma-delta conversion means for receiving a digital input signal from the outside and converting the sigma-delta into a N-bit signal (N is a natural number); 상기 시그마-델타 변환 수단으로부터 출력되는 상기 N비트 신호를 입력받아 디코딩하여 2N개의 신호를 출력하기 위한 디코딩 수단;Decoding means for receiving and decoding the N-bit signal output from the sigma-delta conversion means and outputting 2 N signals; 상기 디코딩 수단으로부터 출력되는 상기 2N개의 신호를 랜덤화하기 위한 랜덤 발생 회로부; 및A random generation circuit section for randomizing the 2 N signals output from the decoding means; And 상기 랜덤 발생 회로부로부터 출력되는 랜덤화된 신호를 입력받아 로우 패스 필터링 동작을 수행한 후 상기 디지털 입력 신호에 대해 변환된 최종 아날로그 출력 신호를 출력하기 위한 스위치드-커패시터 필터링 수단Switched-capacitor filtering means for outputting a final analog output signal converted to the digital input signal after performing a low pass filtering operation by receiving the randomized signal output from the random generation circuit unit 을 포함하여 이루어지는 디지털-아날로그 변환 장치.Digital-to-analog conversion device comprising a. 제 1 항에 있어서, 상기 랜덤 발생 회로부는,The method of claim 1, wherein the random generation circuit unit, 다수개의 단위 랜덤 발생 회로부를 포함하며,It includes a plurality of unit random generation circuit, 상기 단위 랜덤 발생 회로부는 각각,The unit random generation circuit unit, respectively 제1 및 제2 입력 신호에 응답하여 상기 단위 랜덤 발생 회로부로 입력되는 이전의 상기 제1 및 제2 입력 신호 및 현재의 상기 제1 및 제2 입력 신호를 조합하여 제1 및 제2 제어신호를 발생하는 제어 신호 발생 수단; 및The first and second control signals are combined by combining the previous first and second input signals and the current first and second input signals input to the unit random generation circuit in response to the first and second input signals. Generating control signal generation means; And 상기 제어 신호 발생 수단으로부터 출력되는 상기 제1 제어신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 입력 신호를 제1 및 제2 출력 신호로 그대로 출력하고, 상기 제2 제어신호에 응답하여 상기 제1 및 제2 입력 신호를 서로 바꾸어 상기 제2 및 제1 출력 신호로 출력하는 랜덤 신호 출력 수단In response to the first control signal output from the control signal generating means, output the first and second input signals as first and second output signals as they are, and in response to the second control signal, the first and second signals. Random signal output means for swapping two input signals and outputting the second and first output signals 을 포함하여 이루어지는 디지털-아날로그 변환 장치.Digital-to-analog conversion device comprising a. 제 2 항에 있어서, 상기 제어 신호 발생 수단은,The method of claim 2, wherein the control signal generating means, 상기 제1 및 제2 입력 신호를 양입력단으로 인가받아 배타적 논리합하기 위한 제1 배타적 논리합 수단;First exclusive OR means for receiving the first and second input signals to both input terminals and performing an exclusive OR; 클럭 신호에 응답하여 상기 제1 배타적 논리합 수단으로부터의 출력 신호를 에지 트리거링하여 출력단으로 내보내는 D 플립플롭;A D flip-flop that edge-triggers the output signal from the first exclusive OR means in response to a clock signal and sends it to an output terminal; 상기 제1 배타적 논리합 수단으로부터의 출력 신호 및 상기 D 플립플롭의 출력단(Q)으로부터 나오는 신호를 입력받아 두 신호를 서로 배타적 논리합하여 상기 제2 제어신호를 출력하기 위한 제2 배타적 논리합 수단; 및Second exclusive OR means for receiving an output signal from the first exclusive OR means and a signal from the output terminal Q of the D flip-flop and outputting the second control signal by performing an exclusive OR on the two signals; And 상기 제2 배타적 논리합 수단의 출력 신호를 반전하여 상기 제1 제어신호를 출력하기 위한 반전 수단Inverting means for inverting the output signal of said second exclusive OR means to output said first control signal 을 포함하여 이루어지는 디지털-아날로그 변환 장치.Digital-to-analog conversion device comprising a. 제 1 항에 있어서, 상기 랜덤 발생 회로부는,The method of claim 1, wherein the random generation circuit unit, 상기 디코딩 수단으로부터 출력되는 상기 2N개의 신호에 응답하여 버터플라이(butterfly) 방식의 연결을 사용하여 다단으로 어레이되는 상기 다수개의 단위 랜덤 발생 회로부The plurality of unit random generation circuits arranged in multiple stages using a butterfly connection in response to the 2 N signals output from the decoding means. 를 포함하여 이루어지는 디지털-아날로그 변환 장치.Digital-to-analog conversion device comprising a.
KR1019990025821A 1999-06-30 1999-06-30 Digital to analog converter for minimizing error due to mismatch of capacitors KR100345668B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019990025821A KR100345668B1 (en) 1999-06-30 1999-06-30 Digital to analog converter for minimizing error due to mismatch of capacitors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1019990025821A KR100345668B1 (en) 1999-06-30 1999-06-30 Digital to analog converter for minimizing error due to mismatch of capacitors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20010005034A KR20010005034A (en) 2001-01-15
KR100345668B1 true KR100345668B1 (en) 2002-07-24

Family

ID=19597779

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1019990025821A KR100345668B1 (en) 1999-06-30 1999-06-30 Digital to analog converter for minimizing error due to mismatch of capacitors

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100345668B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100850747B1 (en) 2006-12-06 2008-08-06 한국전자통신연구원 Algorithmic analog-to-digital converter

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1599254B (en) * 2004-08-31 2010-04-07 东南大学 Capacity mismatch calibrating device
KR100986984B1 (en) * 2008-08-28 2010-10-11 전자부품연구원 Circuit for compensation of capacitance error and switched-capacitor integrator

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100850747B1 (en) 2006-12-06 2008-08-06 한국전자통신연구원 Algorithmic analog-to-digital converter
US7482966B2 (en) 2006-12-06 2009-01-27 Electronics And Telecommunications Research Institute Algorithm analog-to-digital converter

Also Published As

Publication number Publication date
KR20010005034A (en) 2001-01-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9954549B2 (en) Charge-sharing and charge-redistribution DAC and method for successive approximation analog-to-digital converters
US9654135B2 (en) AD converter including a capacitive DAC
Geerts et al. A high-performance multibit/spl Delta//spl Sigma/CMOS ADC
EP2401814B1 (en) Capacitive voltage divider
EP1182781B1 (en) Multistage converter employing digital dither
US6229472B1 (en) A/D converter
Keane et al. Digital background calibration for memory effects in pipelined analog-to-digital converters
US6373424B1 (en) Method and apparatus for obtaining linearity in a pipelined analog-to-digital converter
EP1962428A1 (en) Method and apparatus for analog-to-digital conversion using switched capacitors
CN111697971A (en) Delta-sigma analog-to-digital converter and method for operating a delta-sigma analog-to-digital converter
KR100345668B1 (en) Digital to analog converter for minimizing error due to mismatch of capacitors
Schouwenaars et al. A monolithic dual 16-bit D/A converter
WO2010041187A1 (en) A method of gain calibration of an adc stage and an adc stage
US11962331B2 (en) Sigma-delta analog-to-digital converter
CN111245438A (en) Feedforward type passive noise shaping successive approximation type analog-to-digital converter
US6628217B1 (en) Signal scaling scheme for a delta sigma modulator
Shen et al. A 10.31 ENOB 3.125 MHz BW fully passive 2nd-order noise-shaping SAR ADC for low cost IoT sensor networks
Zhang et al. A Third-Order CIFF Noise-Shaping SAR ADC with Nonbinary Split-Capacitor DAC
CN115276619B (en) Dynamic comparator, analog-to-digital converter and electronic equipment
US20230387928A1 (en) Linear Multi-Level DAC
de Mori et al. A 3-V 12-bit second order sigma-delta modulator design in 0.8-/spl mu/m CMOS
Ju et al. A highly linear switched-capacitor DAC for multi-bit sigma-delta D/A applications
JP2004236143A (en) Pipeline type a/d converter
CN117220678A (en) High-performance split digital-to-analog converter for Zoom ADC
Venca et al. Hybrid and Segmented ADC Techniques to Optimize Power Efficiency and Area: The Case of a 0.076 mm2 600 MS/s 12b SAR-† ADC

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20050620

Year of fee payment: 4

LAPS Lapse due to unpaid annual fee