KR100575102B1 - Analog-digital converter with pipeline folding scheme - Google Patents
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Abstract
본 발명은 아날로그-디지털 변환기에 관한 발명이다. 특히, 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기에 관한 발명이다.The present invention relates to an analog-to-digital converter. In particular, the invention relates to an analog-to-digital converter of a pipeline folding structure.
본 발명에 의한 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기는 아날로그 입력 전압을 샘플링하여 출력하는 제 1 샘플-앤드-홀드부, 기준전압들을 발생시키는 기준전압 발생기, 상기 제 1 샘플-앤드-홀드부의 출력에 각 기준전압을 뺀 값들을 증폭하여 출력하되, 증폭기의 비대칭성으로 인한 오프셋의 영향을 제거한 선행 증폭기, 상기 선행 증폭기의 출력을 폴딩하여 출력하는 제 1 폴더, 상기 제 1 폴더의 출력을 샘플링하여 출력하는 제 2 샘플-앤드-홀드부, 상기 제 2 샘플-앤드-홀드부의 출력을 폴딩하여 출력하는 제 2 폴더, 및 상기 선행 증폭기의 출력 및 상기 제 2 폴더의 출력값을 비교 연산하여 디지털 출력값을 구하는 비교기를 포함한다. The analog-to-digital converter of the pipeline folding structure according to the present invention includes a first sample-and-hold unit for sampling and outputting an analog input voltage, a reference voltage generator for generating reference voltages, and an output of the first sample-and-hold unit. Amplifying and subtracting the values of the reference voltages, and outputting the first amplifier to remove the influence of the offset due to the asymmetry of the amplifier, a first folder for folding and outputting the output of the preceding amplifier, and sampling the output of the first folder. A digital output value is obtained by comparing and calculating a second sample-and-hold unit for outputting, a second folder for folding and outputting the output of the second sample-and-hold unit, and an output value of the output of the preceding amplifier and an output value of the second folder. The comparator is included.
본 발명에 의한 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기는 특히 소자의 부정합으로 의하여 발생하는 오프셋을 제거함으로써, 고해상도의 아날로그-디지털 변환기를 구현할 수 있다는 장점이 있다. The analog-to-digital converter of the pipeline folding structure according to the present invention has an advantage that a high resolution analog-to-digital converter can be realized, in particular, by eliminating offsets caused by mismatching of devices.
폴딩(folding), 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter), 서브레인징(subraging).Folding, analog-to-digital converter, subraging.
Description
도 1은 종래기술에 의한 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기이다.1 is an analog-to-digital converter of a pipeline folding structure according to the prior art.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기의 블록도이다. 2 is a block diagram of an analog-to-digital converter of a pipeline folding structure according to an embodiment of the present invention.
도 3은 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 선행 증폭기에 포함된 선행 증폭 회로의 회로도이다. 3 is a circuit diagram of a preceding amplifier circuit included in the preceding amplifier employed in the analog-to-digital converter of FIG. 2.
도 4는 도 3의 φ1, φ2 및 φ3 신호의 파형을 나타내는 도면이다. 4 is a diagram illustrating waveforms of signals φ1, φ2, and φ3 of FIG. 3.
도 5는 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 제 1 폴더에 포함된 폴딩 회로의 회로도이다. FIG. 5 is a circuit diagram of a folding circuit included in a first folder employed in the analog-digital converter of FIG. 2.
도 6은 도 5의 φ1D 신호의 파형을 φ1 신호의 파형과 함께 나타낸 도면이다. FIG. 6 is a diagram illustrating the waveform of the φ1D signal of FIG. 5 together with the waveform of the φ1 signal.
도 7은 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 제 2 샘플-앤드-홀드부에 포함된 샘플-앤드-홀드 회로의 회로도이다.FIG. 7 is a circuit diagram of a sample-and-hold circuit included in a second sample-and-hold unit employed in the analog-digital converter of FIG. 2.
도 8은 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 제 2 폴더에 포함된 폴딩 회로의 회로도이다. FIG. 8 is a circuit diagram of a folding circuit included in a second folder employed in the analog-digital converter of FIG. 2.
도 9는 도 8의 φ2D 신호의 파형을 φ2 신호의 파형과 함께 나타낸 도면이다.FIG. 9 is a view showing the waveform of the φ2D signal of FIG. 8 together with the waveform of the φ2 signal.
도 10은 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 제 3 샘플-앤드-홀드부에 포함된 샘플-앤드-홀드 회로의 회로도이다. FIG. 10 is a circuit diagram of a sample-and-hold circuit included in a third sample-and-hold unit employed in the analog-digital converter of FIG. 2.
도 11은 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 서브레인징 증폭기의 회로도이다. FIG. 11 is a circuit diagram of a subranging amplifier employed in the analog-to-digital converter of FIG. 2.
도 12는 보간기를 나타내는 회로도이다. 12 is a circuit diagram illustrating an interpolator.
본 발명은 아날로그-디지털 변환기에 관한 발명이다. 특히, 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기에 관한 발명이다.The present invention relates to an analog-to-digital converter. In particular, the invention relates to an analog-to-digital converter of a pipeline folding structure.
종래의 아날로그-디지털 변환기는 아날로그 전압을 양자화하는 제 1 양자화기, 아날로그 전압으로부터 제 1 양자화기의 출력을 뺀 값을 출력하는 나머지 회로(residue circuit), 및 나머지 회로의 출력을 양자화하는 제 2 양자화기로 구성된다. 제 1 양자화기를 거친 양자화기(coarse quantizer)로, 제 2 양자화기를 미세한 양자화기(fine quantizer)로 호칭되기도 한다. 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기는 종래의 아날로그-디지털 변환기의 나머지 회로를 폴더(folder)로 대체함으로써, 아날로그-디지털 변환기의 성능 특히 속도를 개선한 것을 특징으로 한다. 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기는 복수개의 폴더를 가진 아날로그-디지털 변환기에 있어서, 파이프라인 방식을 도입함으로써, 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기의 성능을 개선시킨 아날로그-디지털 변환기이다. 파이프라인 폴딩 구조는 2002년 2월 'Myung-Jun Choe'에 의해 'IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL.36, NO. 2'에 게재된 'An 8-b 100-MSample/s CMOS Pipelined Folding ADC'에 개시되어 있다. Conventional analog-to-digital converters include a first quantizer for quantizing an analog voltage, a residual circuit for outputting a value obtained by subtracting the output of the first quantizer from an analog voltage, and a second quantization for quantizing the output of the remaining circuit. It is composed of groups. Coarse quantizers that pass through the first quantizer may be referred to as fine quantizers. The folding structure analog-to-digital converter is characterized by improving the performance, in particular the speed, of the analog-to-digital converter by replacing the rest of the circuit of the conventional analog-to-digital converter with a folder. The analog-to-digital converter of the pipeline folding structure is an analog-to-digital converter that improves the performance of the folding structure of the analog-to-digital converter by introducing a pipelined scheme in an analog-to-digital converter having a plurality of folders. The pipeline folding structure was published in February 2002 by 'Myung-Jun Choe' in 'IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL.36, NO. 2, an An 8-b 100-MSample / s CMOS Pipelined Folding ADC.
도 1은 종래기술에 의한 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기이다. 종래기술에 의한 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기는 샘플-앤드-홀드부(1), 기준 전압 발생기(2), 제 1 폴더(3), 제 1 트랙-앤드-홀드부(4), 제 2 폴더(5), 제 2 트랙-앤드-홀드부(6), 제 1 내지 3 양자화기(7, 8, 9) 및 디지털 부호화기(10)를 포함한다. 1 is an analog-to-digital converter of a pipeline folding structure according to the prior art. The analog-to-digital converter of the pipeline folding structure according to the prior art includes a sample-and-
종래기술에 의한 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기는 아날로그 입력전압(Vin)과 기준 전압(reference voltage)의 차이를 폴더(3, 5)를 통해 증폭하여 처리하므로, 폴더(3, 5) 내에 존재하는 소자의 부정합으로 인하여 구현 가능한 해상도에 제한을 받는다는 문제점이 있다. 또한 파이프라인 구조를 적용하기 위하여 각단 사이에 트랙-앤드-홀드부(4, 6)를 가진다. 즉, 각단 사이에 존재하는 스위치와 캐패시터를 병렬로 연결하는 구조이다. 따라서, 전단과 다음단의 입출력 신호 레벨이 동일하도록 설계되어야 하며, 신호 레벨이 동일하지 아니한 경우에는 신호 선형성의 저하가 발생할 수 있다. 또한 홀수개의 폴딩 요소(factor)를 가지는 폴더의 구성으로 다단 구성시 하위 비트들의 디코딩을 어렵게 하는 문제점이 있다.The analog-to-digital converter of the pipeline folding structure according to the related art amplifies and processes the difference between the analog input voltage Vin and the reference voltage through the
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 고속, 고해상도의 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기를 제공하는데 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide an analog-to-digital converter having a high speed, high resolution pipeline folding structure.
상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면은 아날로그 입력 전압을 샘플링하여 출력하는 제 1 샘플-앤드-홀드부, 기준전압들을 발생시키는 기준전압 발생기, 상기 제 1 샘플-앤드-홀드부의 출력에 각 기준전압을 뺀 값들을 증폭하여 출력하되, 증폭기의 비대칭성으로 인한 오프셋의 영향을 제거한 선행 증폭기, 상기 선행 증폭기의 출력을 폴딩하여 출력하는 제 1 폴더, 상기 제 1 폴더의 출력을 샘플링하여 출력하는 제 2 샘플-앤드-홀드부, 상기 제 2 샘플-앤드-홀드부의 출력을 폴딩하여 출력하는 제 2 폴더, 및 상기 선행 증폭기의 출력 및 상기 제 2 폴더의 출력값을 비교 연산하여 디지털 출력값을 구하는 비교기를 포함하는 아날로그-디지털 변환기를 제공한다.As a technical means for achieving the above object, a first aspect of the present invention is a first sample and hold unit for sampling and outputting an analog input voltage, a reference voltage generator for generating reference voltages, the first sample and end Amplifying and outputting values obtained by subtracting each reference voltage to the output of the holding unit, the first amplifier removing the influence of the offset due to the asymmetry of the amplifier, a first folder for folding and outputting the output of the preceding amplifier, and the first folder A comparison operation between a second sample-and-hold unit for sampling and outputting an output, a second folder for folding and outputting an output of the second sample-and-hold unit, and an output value of the output of the preceding amplifier and an output value of the second folder It provides an analog-to-digital converter including a comparator to obtain a digital output value.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어 져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 당업자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more fully explain the present invention to those skilled in the art.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기의 블록도이다. 도 2에서, 아날로그 디지털 변환기는 제 1 샘플-앤드-홀드부(11), 기준전압 발생기(12), 선행 증폭기(13), 제 1 폴더(14), 제 2 샘플-앤드-홀드부(15), 제 2 폴더(16), 제 3 샘플-앤드-홀드부(17), 서브 레인징 증폭기(18), 비교기(19) 및 디지털 오류 교정기(20)을 포함한다. 2 is a block diagram of an analog-to-digital converter of a pipeline folding structure according to an embodiment of the present invention. In FIG. 2, the analog-to-digital converter includes a first sample-and-
제 1 샘플-앤드-홀드부(11)는 차동 아날로그 입력전압(Vin+, Vin-)을 샘플링하여 출력한다. 기준전압 발생기(12)는 입력기준전압(Vref+, Vref-)에 대하여 보간(interpolation)을 수행하여 차동 기준전압들(Vr1+, Vr1-, Vr2+, Vr2-, ... Vrm+, Vrm-)을 발생시킨다. 선행 증폭기(13)는 샘플링된 차동 아날로그 입력전압(V1s+, V1s-)에 각 차동 기준전압(Vrk+, Vrk-; k는 m보다 적거나 같은 자연수)을 뺀 값들을 증폭하여 출력한다. 제 1 폴더(14) 및 제 2 폴더(16)는 각각 선행 증폭기(13) 및 제 2 샘플-앤드-홀드부(15)의 출력을 폴딩하여 출력한다. 제 2 샘플-앤드-홀드부(15) 및 제 3 샘플-앤드-홀드부(17)은 각각 제 1 폴더(14) 및 제 2 폴더(16)의 출력을 샘플링하여 출력한다. 서브레인지 증폭기(18)는 제 3 샘플-앤 드-홀드부(17)의 출력을 증폭하여 출력한다. 비교기(19)는 선행증폭기(13)의 양의 출력(Va1+, Va2+, ... Van+)을 입력받아 각 입력에 대하여 비교 연산을 수행한 후 '1'의 개수를 합한 값(MSB)을 출력한다. 또한, 제 2 폴더(16)의 양의 출력을 입력받아 각 입력에 대하여 비교 연산을 수행한 후 '1'의 개수를 합한 값(MLSB)을 출력한다. 또한, 서브레인징 증폭기(18)의 양의 출력을 입력받아 각 입력에 대하여 비교 연산을 수행한 후 '1'의 개수를 합한 값(LSB)을 출력한다. 여기에서, 비교 연산이란 입력값이 임계값보다 큰 경우에는 '1' 및 '0' 중 한 값을 출력하고, 그 역의 경우에는 '1' 및 '0' 중 나머지 값을 출력하는 연산을 의미한다. 디지털 오류 교정기(20)는 비교기의 출력신호를 입력받아 디지털 값의 오류 유무를 검사하고, 오류가 발생한 경우 오류를 치유하는 기능을 수행한다. The first sample and hold
본 발명의 일실시예에 의한 아날로그 디지털 변환기는 샘플링된 차동 아날로그 입력전압(V1s+, V1s-)에 각 기준 전압을 뺀 값을 증폭시킨 후 비교기(19)에 통과시켜 상위 비트(MSB)을 형성한다. 선행 증폭기(13)의 출력들을 2회 폴딩시킨 출력을 비교기(19)에 통과시켜 중간 비트(MLSB)을 형성한다. 제 2 폴더(16)의 출력을 증폭한 후에 비교기(19)를 통과시켜 하위 비트(LSB)를 형성한다. 상위 비트(MSB) 중간 비트(MLSB) 및 하위 비트(LSB)를 입력받아, 오류를 교정하여 최종적인 N비트의 디지털 신호를 출력한다. The analog-to-digital converter according to an embodiment of the present invention amplifies a value obtained by subtracting each reference voltage from the sampled differential analog input voltages V1s + and V1s- and passes them through a
각 단은 직렬로 연결된 캐패시터를 통해 전단의 신호를 샘플링하도록 함으로써 고속 동작을 위한 파이프라인 구조의 적용을 가능하게 하면서도 DC적으로 서로 분리되도록 하였다. 따라서 각 단의 출력 전압과 다음단의 입력 전압의 레벨을 서 로 다르게 설계가 가능하여 회로 설계상의 유연성을 높이고 더 넓은 선형 영역의 확보가 가능하다.Each stage samples the front end signal through a series connected capacitor, allowing the application of a pipeline structure for high speed operation while being separated from each other DC. Therefore, the output voltage of each stage and the input voltage of the next stage can be designed differently, which increases flexibility in circuit design and secures a wider linear region.
이하 도 3 및 4를 참조하여 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 선행 증폭기를 설명한다. Hereinafter, the preceding amplifier employed in the analog-to-digital converter of FIG. 2 will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
도 3은 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 선행 증폭기에 포함된 선행 증폭 회로의 회로도이다. 선행 증폭기는 복수개의 선행 증폭 회로를 포함한다. 도 3에서, 선행 증폭 회로는 증폭기(21), 입력부(22), 출력부(23) 및 리셋부(24)를 포함한다. 3 is a circuit diagram of a preceding amplifier circuit included in the preceding amplifier employed in the analog-to-digital converter of FIG. 2. The preceding amplifier includes a plurality of preceding amplifier circuits. In FIG. 3, the preceding amplifier circuit includes an
증폭기(21)는 증폭기의 차동 입력단의 전압을 증폭하여 증폭기의 차동 출력단으로 출력한다. 입력부(22)는 φ1 신호가 '1'인 기간에 증폭기(21)의 차동 입력단에 공통 전압을 가하고, φ2 신호가 '1'인 기간에 증폭기(21)의 차동 입력단에 샘플링된 양의 아날로그 입력 전압(V1s+) 및 양의 기준전압(Vrk+; k는 n보다 작거나 같은 자연수) 사이에 빼기 연산을 수행한 전압 및 샘플링된 음의 아날로그 입력 전압(V1s-) 및 음의 기준전압(Vrk-) 사이에 빼기 연산을 수행한 전압을 가한다. 출력부(23)는 φ1 신호가 '1'인 기간에 증폭기(21)의 비대칭성으로 인한 오프셋 전압을 저장하고, φ2 신호가 '1'인 기간에 증폭기(21)의 차동 출력에서 φ1 신호가 '1'인 기간에 저장한 오프셋 전압을 뺀 값을 출력한다. 리셋부(24)는 φ3 신호가 '1'인 기간에 증폭기(21)의 차동 출력단을 상호 접속시킨다. The
다른 각도로 보면, 선행 증폭 회로는 증폭기(21) 및 오프셋(offset)을 소거 하기 위한 7개의 스위치(SW1~SW7), 4개의 캐패시터(CIN1, CIN2, CO1, CO2)를 포함한다. From another angle, the preceding amplification circuit includes an
제 1 스위치(SW1)는 φ1 신호가 '1'인 경우에 온(ON)이 되어 샘플링된 양의 아날로그 입력전압(V1s+)을 제 1 캐패시터(CIN1)의 제 1 단자에 접속시킨다. 제 2 스위치(SW2)는 φ2 신호가 '1'인 경우에 온(ON)이 되어 양의 기준전압(Vrk+)을 제 1 캐패시터(CIN1)의 제 1 단자에 접속시킨다. 제 3 스위치(SW3)는 φ2 신호가 '1'인 경우에 온(ON)이 되어 음의 기준전압(Vrk-)을 제 2 캐패시터(CIN2)의 제 1 단자에 접속시킨다. 제 4 스위치(SW4)는 φ1 신호가 '1'인 경우에 온(ON)이 되어 샘플링된 음의 아날로그 입력전압(V1s-)을 제 2 캐패시터(CIN2)의 제 1 단자에 접속시킨다. 제 1 및 2 캐패시터(CIN1, CIN2)의 제 2 단자는 각각 증폭기(21)의 차동 입력단에 접속된다. 제 5 스위치(SW5)는 φ1 신호가 '1'인 경우에 온(ON)이 되어 공통전압(CM)을 제 1 캐패시터의 제 2 단자 및 제 2 캐패시터의 제 2 단자에 접속시킨다. 증폭기(21)는 차동 입력을 증폭하여 출력한다. 증폭기(21)는 전류원(Is), 2개의 NMOS 트랜지스터(MN1, MN2) 및 2개의 부하(RL1, RL2)를 포함한다. 제 1 및 2 NMOS 트랜지스터(MN1, MN2)의 게이트에는 각각 증폭기(21)로 입력되는 차동 입력단에 접속되고, 소오스는 전류원(Is)의 제 1 단자에 접속되고, 드레인은 각각 증폭기(21)의 차동 출력단에 접속된다. 전류원의 제 2 단자는 접지에 접속되고, 제 1 및 2 부하(RL1, RL2)의 제 1 단자는 전압전원(VDD)에 접속되고, 제 2 단자는 각각 증폭기(21)의 차동 출력단에 접속된다. 제 6 스위치(SW6)는 φ3 신호가 '1'인 경우에 온(ON)이 되어 증폭기(21)의 차동 출력단을 상호 접속시킨다. 제 3 및 4 캐 패시터의 제 1 단자는 각각 증폭기(21)의 차동 출력단에 접속되며, 제 2 단자는 선행 증폭 회로의 출력단에 접속된다. 제 7 스위치(SW7)는 φ1 신호가 '1'인 경우에 온(ON)이 되어 공통전압(CM)을 제 3 캐패시터의 제 2 단자 및 제 4 캐패시터의 제 2 단자에 접속시킨다.The first switch SW1 is turned on when the? 1 signal is '1', and connects the sampled analog input voltage V1s + to the first terminal of the first capacitor CIN1. The second switch SW2 is turned ON when the signal φ2 is '1', thereby connecting the positive reference voltage Vrk + to the first terminal of the first capacitor CIN1. The third switch SW3 is turned ON when the signal φ2 is '1' to connect the negative reference voltage Vrk- to the first terminal of the second capacitor CIN2. The fourth switch SW4 turns ON when the? 1 signal is '1', and connects the sampled negative analog input voltage V1s- to the first terminal of the second capacitor CIN2. Second terminals of the first and second capacitors CIN1 and CIN2 are connected to the differential input terminal of the
도 4는 도 3의 φ1, φ2 및 φ3 신호의 파형을 나타내는 도면이다. 도 3에서, φ1 및 φ2는 교대로 '1'이 되며, 두 신호가 동시에 '1'이 되는 기간은 없다. φ3는 φ1이 '1'인 기간 중에서 앞부분에 잠시 '1'이 되고 그 이외의 기간에는 '0'인 신호이다. 4 is a diagram illustrating waveforms of signals φ1, φ2, and φ3 of FIG. 3. In Fig. 3, φ1 and φ2 alternately become '1', and there is no period in which both signals become '1' at the same time. φ3 is a signal that becomes '1' for a while in a period where φ1 is '1' and is '0' in other periods.
φ1이 '1'인 기간에, 제 1 캐패시터(CIN1)의 제 1 단자에는 샘플링된 양의 아날로그 입력전압(V1s+)이 접속되고, 제 2 단자에는 공통전압(CM)이 접속된다. 따라서, 제 1 캐패시터의 제 2 단자와 제 1 단자 사이에는 전압 (CM - V1s+)가 걸려 있다. 같은 방식으로 제 2 캐패시터의 제 2 단자와 제 1 단자 사이에는 전압 (CM - V1s-)가 걸려 있다. 증폭기(21)의 차동 입력단은 모두 공통전압(CM)에 접속되므로, 이론적으로는 증폭기(21)의 차동 출력단은 모두 동일한 전압을 가져야 한다. 그러나, 제 1 및 2 NMOS 트랜지스터(NM1, NM2) 및 제 1 및 2 부하(RL1, RL2)의 비대칭성으로 인하여, 오프셋 전압(ΔV)이 발생한다. 이로 인하여, 제 4 캐패시터(CO2)의 제 1 단자의 전압이 제 3 캐패시터(CO1)의 전압보단 오프셋 전압(ΔV)만큼 높게 되고, 결국 제 4 캐패시터의 제 2 단자와 제 1 단자 사이에 걸린 전압은 제 3 캐패시터의 제 2 단자와 제 1 단자 사이에 걸린 전압에 비하여 오프셋 전압(ΔV)만큼 낮은 전압을 가지게 된다. In the period when
φ2가 '1'인 기간에, 제 1 캐패시터(CIN1)의 제 1 단자에는 양의 기준전압(Vrk+)이 접속되고, 제 2 캐패시터(CIN2)의 제 1 단자에는 음의 기준전압(Vrk-)이 접속된다. 이로 인하여, 증폭기(21)의 차동 입력단에는 각각 (Vrk+ - V1s+ + CM) 및 (Vrk- - V1s- + CM) 전압이 가해진다. 증폭기(21)는 이상적으로 차동 입력단 중 한 입력에서 나머지 입력을 뺀 값이 증폭되어 출력된다. 그러나, 상기한 바와 같은 증폭기의 비대칭성으로 인하여, 제 4 캐패시터의 제 1 단자에 이상적인 증폭기의 출력에 비하여 오프셋 전압(ΔV)만큼 높은 전압이 형성된다. 그러나, 상기한 바와 같이 φ1이 '1'인 기간에 제 4 캐패시터의 제 2 단자와 제 1 단자 사이에 걸린 전압은 오프셋 전압(ΔV)만큼 낮은 전압을 가지므로, φ2가 '1'인 기간에 제 4 캐패시터의 제 2 단자에는 오프셋 전압(ΔV)이 상쇄된 값이 출력되게 된다. 따라서, φ2가 '1'인 기간에 출력되는 선행 증폭 회로의 차동 출력전압(Vak+, Vak-)은 오프셋 전압(ΔV)의 영향을 받지 아니하게 된다. In a period when φ2 is '1', a positive reference voltage Vrk + is connected to the first terminal of the first capacitor CIN1, and a negative reference voltage Vrk- is connected to the first terminal of the second capacitor CIN2. Is connected. Thus, the voltages (Vrk +-V1s + + CM) and (Vrk--V1s- + CM) are applied to the differential input terminals of the
φ3이 '1'인 기간에, 제 6 스위치(SW6)는 '1'이 되어, 증폭기(21)의 출력단을 빠르게 리셋시키는 역할을 한다. In the period when φ3 is '1', the sixth switch SW6 becomes '1', which serves to quickly reset the output terminal of the
선행 증폭 회로는 이와 같이 선형 증폭 회로 자체에서 발생하는 오프셋을 효과적으로 소거하므로 선형 증폭 회로의 증폭율을 증가시킴으로써, 이후 폴더에서 발생하는 오프셋의 영향을 최적화할 수 있다. Since the prior amplification circuit effectively cancels the offset generated in the linear amplification circuit itself, by increasing the amplification ratio of the linear amplification circuit, it is possible to optimize the influence of the offset generated in the subsequent folder.
이하 도 5 및 6을 참조하여 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 제 1 폴더를 설명한다. Hereinafter, a first folder employed in the analog-to-digital converter of FIG. 2 will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
도 5는 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 제 1 폴더에 포함된 폴딩 회로의 회로도이다. 제 1 폴더는 복수개의 폴딩회로를 포함한다. FIG. 5 is a circuit diagram of a folding circuit included in a first folder employed in the analog-digital converter of FIG. 2. The first folder includes a plurality of folding circuits.
도 5에서, 폴딩 회로는 3개의 차동 입력을 가지는 폴딩 회로 즉 폴딩 팩터(factor)가 3인 폴딩 회로이다. 일반적으로 폴딩 회로는 홀수개의 차동 입력을 가진다. 폴딩 회로는 3개의 전류 스위치(25, 26, 27), 2개의 부하(RL) 및 1개의 스위치(SW)를 가진다. 각 전류 스위치는 2개의 NMOS 트랜지스터(NM)와 1개의 전류원(Iss)으로 구성되며, 차동 입력전압을 차동 전류로 변환하여 출력한다. 전류 스위치(25, 26, 27)의 출력단은 폴딩 회로의 차동 출력단에 연결되나, 교대로 연결된다. 즉, 제 1 전류 스위치(25)의 양의 출력은 폴딩 회로의 양의 출력단에 연결되고 음의 출력은 폴딩 회로의 음의 출력단에 연결되나, 제 2 전류 스위치(26)의 양의 출력은 폴딩 회로의 음의 출력단에 연결되고 음의 출력은 폴딩 회로의 양의 출력단에 연결되고, 제 3 전류 스위치(27)의 양의 출력은 폴딩 회로의 양의 출력단에 연결되고 음의 출력은 폴딩 회로의 음의 출력단에 연결된다. In FIG. 5, the folding circuit is a folding circuit having three differential inputs, that is, a folding circuit having a folding factor of three. Typically, the folding circuit has an odd number of differential inputs. The folding circuit has three
도 6은 도 5의 φ1D 신호의 파형을 φ1 신호의 파형과 함께 나타낸 도면이다. 도 6에서, φ1D 신호는 φ1 신호에 비하여 '1'의 기간이 더 길어진 신호임을 알 수 있다. FIG. 6 is a diagram illustrating the waveform of the φ1D signal of FIG. 5 together with the waveform of the φ1 signal. In FIG. 6, it can be seen that the φ1D signal is a signal having a longer period of '1' than the φ1 signal.
φ1D 신호가 '1'인 기간에 폴딩 회로의 출력 신호를 리셋하고 있다가, φ2이 '1'인 기간에 선형증폭기 출력 신호를 폴딩하여 출력한다. 폴더의 리셋 시간은 φ1이 '1'인 기간보다 약간 더 길게 함으로써 φ2가 '1'인 기간에 다음단에 저장되어 있었던 이전 신호에 의한 신호의 역류를 막고 출력신호가 더 빠르게 정착되도록 한 다.The output signal of the folding circuit is reset in the period where the? 1D signal is '1', and then the linear amplifier output signal is folded and output in the period where the? 2 is '1'. The reset time of the folder is slightly longer than the period in which φ1 is '1', thereby preventing the backflow of the signal by the previous signal stored in the next stage in the period when φ2 is '1' and allowing the output signal to settle faster.
이하 도 7을 참조하여 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 제 2 샘플-앤드-홀드부를 설명한다. Hereinafter, a second sample-and-hold unit employed in the analog-digital converter of FIG. 2 will be described with reference to FIG. 7.
도 7은 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 제 2 샘플-앤드-홀드부에 포함된 샘플-앤드-홀드 회로의 회로도이다. 제 2 샘플-앤드-홀드부는 복수개의 샘플-앤드-홀드 회로를 포함한다. 각 샘플-앤드-홀드 회로는 φ2가 '1'인 기간에 캐패시터(CIN)의 제 2 단자와 제 1 단자 사이에 제 2 공통전압(CM2)에 입력 전압(Vin)을 뺀 전압 즉 (CM2 - Vin) 전압이 걸리도록 한 후에, φ1이 '1'인 기간에 캐패시터(CIN)의 제 1 단자에 제 1 공통전압(CM1)이 걸리도록 함으로써, φ1이 '1'인 기간에 출력단에 (CM1 + CM2 - Vin) 전압이 걸리도록 한다. 이런 방식으로 동작함으로써, 샘플-앤드-홀드 회로는 제 1 폴더의 출력 신호를 샘플링하여 출력한다. FIG. 7 is a circuit diagram of a sample-and-hold circuit included in a second sample-and-hold unit employed in the analog-digital converter of FIG. 2. The second sample-and-hold portion includes a plurality of sample-and-hold circuits. Each sample-and-hold circuit includes a voltage obtained by subtracting the input voltage Vin from the second common voltage CM2 between the second terminal and the first terminal of the capacitor CIN in a period where φ2 is '1', that is, (CM2 −). After the Vin voltage is applied, the first common voltage CM1 is applied to the first terminal of the capacitor CIN during the period when φ1 is '1', so that the output terminal is connected to the output terminal during the period when φ1 is '1'. + CM2-Vin) voltage. By operating in this manner, the sample-and-hold circuit samples and outputs the output signal of the first folder.
이하 도 8 및 9를 참조하여 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 제 2 폴더를 설명한다. Hereinafter, a second folder employed in the analog-to-digital converter of FIG. 2 will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
도 8은 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 제 2 폴더에 포함된 폴딩 회로의 회로도이다. 제 2 폴더는 복수개의 폴딩회로를 포함한다. 도 9는 도 8의 φ2D 신호의 파형을 φ2 신호의 파형과 함께 나타낸 도면이다. 제 2 폴더의 폴딩 회로는 제 1 폴더의 폴딩 회로와 비교하여, 타이밍에 차이를 있을 뿐이고, 폴딩 회 로의 구성에는 차이가 없다. 즉, 제 2 폴더의 폴딩 회로는 φ2D 신호가 '1'인 기간에 폴딩 회로의 출력 신호를 리셋하고 있다가, φ1이 '1'인 기간에 제 2 샘플-앤드-홀드부의 출력 신호를 폴딩하여 출력한다. FIG. 8 is a circuit diagram of a folding circuit included in a second folder employed in the analog-digital converter of FIG. 2. The second folder includes a plurality of folding circuits. FIG. 9 is a view showing the waveform of the φ2D signal of FIG. 8 together with the waveform of the φ2 signal. The folding circuit of the second folder has only a difference in timing compared to the folding circuit of the first folder, and there is no difference in the configuration of the folding circuit. That is, the folding circuit of the second folder resets the output signal of the folding circuit in the period when the? 2D signal is '1', and then folds the output signal of the second sample-and-hold part in the period when? 1 is '1'. Output
이하 도 10을 참조하여 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 제 3 샘플-앤드-홀드부를 설명한다. Hereinafter, a third sample-and-hold unit employed in the analog-to-digital converter of FIG. 2 will be described with reference to FIG. 10.
도 10은 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 제 3 샘플-앤드-홀드부에 포함된 샘플-앤드-홀드 회로의 회로도이다. 제 3 샘플-앤드-홀드부는 복수개의 샘플-앤드-홀드 회로를 포함한다. 각 샘플-앤드-홀드 회로는 φ1이 '1'인 기간에 캐패시터(CIN)의 제 2 단자와 제 1 단자 사이에 제 2 공통전압(CM2)에 입력 전압(Vin)을 뺀 전압 즉 (CM2 - Vin) 전압이 걸리도록 한 후에, φ2가 '1'인 기간에 캐패시터(CIN)의 제 1 단자에 제 1 공통전압(CM1)이 걸리도록 함으로써, φ2가 '1'인 기간에 출력단에 (CM1 + CM2 - Vin) 전압이 걸리도록 한다. 이런 방식으로 동작함으로써, 샘플-앤드-홀드 회로는 제 2 폴더의 출력 신호를 샘플링하여 출력한다. FIG. 10 is a circuit diagram of a sample-and-hold circuit included in a third sample-and-hold unit employed in the analog-digital converter of FIG. 2. The third sample and hold portion includes a plurality of sample and hold circuits. Each sample-and-hold circuit includes a voltage obtained by subtracting the input voltage Vin from the second common voltage CM2 between the second terminal and the first terminal of the capacitor CIN during a period of φ1 '1', that is, (CM2 −). After the Vin voltage is applied, the first common voltage CM1 is applied to the first terminal of the capacitor CIN in the period when φ2 is '1', thereby providing (CM1) to the output terminal in the period when φ2 is '1'. + CM2-Vin) voltage. By operating in this manner, the sample-and-hold circuit samples and outputs the output signal of the second folder.
이하 도 11을 참조하여 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 서브레인징 증폭기를 설명한다. Hereinafter, a subranging amplifier employed in the analog-to-digital converter of FIG. 2 will be described with reference to FIG. 11.
도 11은 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 서브레인징 증폭기의 회로도이다. 도 11에서, 서브레인징 증폭기는 5개의 증폭기(28 내지 32) 및 보간기(interpolator)(33)를 포함한다. FIG. 11 is a circuit diagram of a subranging amplifier employed in the analog-to-digital converter of FIG. 2. In FIG. 11, the subranging amplifier includes five amplifiers 28 to 32 and an interpolator 33.
제 3 증폭기(30)는 제 2 폴더의 출력값에 의하여 정해지는 제 3 샘플-앤드-홀드부의 출력을 입력으로 받는다. 제 2 및 4 증폭기(29, 31)는 상기 제 3 증폭기(30)의 입력의 상위 레벨과 하위 레벨을 각각 입력받는다. 제 1 및 5 증폭기(28, 32)는 상기 제 2 증폭기(29)의 상위 레벨과, 상기 제 4 증폭기(31)의 입력의 하위 레벨을 각각 입력받는다. 보간기(33)는 제 1 내지 5 증폭기(28 내지 32)의 출력 전압을 저항으로 보간(interpolation)하여 출력한다.The third amplifier 30 receives as an input the output of the third sample-and-hold portion determined by the output value of the second folder. The second and fourth amplifiers 29 and 31 receive upper and lower levels of the input of the third amplifier 30, respectively. The first and fifth amplifiers 28 and 32 receive the upper level of the second amplifier 29 and the lower level of the input of the fourth amplifier 31, respectively. The interpolator 33 interpolates the output voltages of the first to fifth amplifiers 28 to 32 with a resistance and outputs the interpolators 33.
이 때, 서브래인징 증폭기의 양 끝 증폭기(28, 32)의 경우 다른 증폭기(29, 30, 31)와 동일한 출력 조건을 갖도록하기 위하여 두 증폭기(28, 32)의 출력신호를 서로 반전하여 저항으로 연결하면 해상도의 향상을 가져올 수 있다. 차동 구조의 경우 두 증폭기의 차동 출력을 서로 역으로 연결하면 같은 효과를 가져올 수 있다.At this time, in the case of the amplifiers 28 and 32 at both ends of the sub-lasing amplifier, the output signals of the two amplifiers 28 and 32 are inverted from each other in order to have the same output condition as the other amplifiers 29, 30 and 31. Connecting with a resistor can lead to an improvement in resolution. In a differential architecture, the same effect can be achieved by reversing the differential outputs of the two amplifiers against each other.
이하 도 12를 참조하여 도 2의 아날로그-디지털 변환기에 채용된 선행 증폭기, 제 1 폴더 및 제 2 폴더의 출력단에 사용될 수 있는 보간기를 설명한다. 도 12는 보간기를 나타내는 회로도이다. 보간기는 직렬 연결된 복수개의 저항으로 구성되며, 입력신호를 보간하여 출력한다. 보간기는 선행 증폭기, 제 1 폴더 및 제 2 폴더의 출력단에 연결되어 사용될 수 있다. Hereinafter, with reference to FIG. 12, an interpolator that can be used for the output stages of the preceding amplifier, the first folder, and the second folder employed in the analog-to-digital converter of FIG. 2 will be described. 12 is a circuit diagram illustrating an interpolator. The interpolator is composed of a plurality of resistors connected in series and interpolates and outputs an input signal. The interpolator can be used in connection with the outputs of the preceding amplifier, the first folder and the second folder.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여 야한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. Although the technical spirit 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, it will be understood by those skilled in the art that various modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
본 발명에 의한 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기는 증폭기의 비대칭성으로 의하여 발생하는 오프셋을 제거함으로써, 고해상도의 아날로그-디지털 변환기를 구현할 수 있다는 장점이 있다. The analog-to-digital converter of the pipeline folding structure according to the present invention has an advantage that a high resolution analog-to-digital converter can be realized by eliminating offset caused by the asymmetry of the amplifier.
또한, 본 발명에 의한 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기는 각 폴더 사이를 샘플-앤드-홀딩부로 연결함으로써, 각 폴더의 신호 레벨이 동일하지 아니한 경우에도 적용할 수 있다는 장점이 있다. In addition, the analog-to-digital converter of the pipeline folding structure according to the present invention has an advantage that it can be applied even when the signal level of each folder is not the same by connecting each folder with a sample-and-holding unit.
또한, 본 발명에 의한 파이프라인 폴딩 구조의 아날로그-디지털 변환기는 서브레인징 증폭기를 둠으로써, 높은 해상도를 가진다. In addition, the analog-to-digital converter of the pipeline folding structure according to the present invention has a high resolution by providing a subranging amplifier.
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