KR100925397B1 - 연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기를 위한효율적인 루프 필터 - Google Patents

연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기를 위한효율적인 루프 필터 Download PDF

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Abstract

연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 컨버터를 위한 루프 필터는 시그마 델타 아날로그-디지털 컨버터(ADC, Analog to Digital Converter)로부터 출력된 디지털 출력 신호의 적어도 일부를 표현하는 입력 신호를 입력받는 입력단, 및 상기 입력단과 연결되고, 전력 이득을 제공하기 위한 M개의 능동 소자들 및 상기 능동 소자들 각각으로부터 출력된 신호 모두를 표현하는 출력 신호를 출력하는 출력단을 포함하며, N(N>M)차 적분을 수행하는 아날로그 능동 필터를 포함한다. 따라서 NTF(Noise Transfer Function) 특성이 개선될 수 있다.

Description

연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기를 위한 효율적인 루프 필터{EFFECTIVE LOOP FILTER FOR A CONTINUOUS TIME SIGMA DELTA ANALOG TO DIGITAL CONVERTER}
본 발명의 실시예들은 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter)에 관한 것으로 특히, 연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기를 위한 효율적인 루프 필터에 관한 것이다.
일반적으로, 시그마 델타 변조(sigma delta modulation)는 일종의 아날로그-디지털 또는 디지털-아날로그 변환으로, 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter)는 값싼 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 이용하여 쉽게 구현될 수 있다.
연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기는 이산 아날로그 입력 신호와 대비되는 연속적인 아날로그 입력 신호를 입력받아 디지털 출력 신호를 생성하는 장치로, 특히 미국등록특허 제6,967,606호는 샐런-키 필터 요소(sallen and key filter element)를 이용한 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기를 개시하고 있다.
그러나 미국등록특허 제6,967,606호의 경우에는 시그마 델타 아날로그-디지 털 변환기의 주요 성능 인자들 중 하나에 상응하는 NTF(Noise Transfer Function)특성이 좋지 않을 수 있다.
본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 NTF(Noise Transfer Function) 특성이 개선될 수 있는 연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 컨버터를 위한 루프 필터를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 루프 필터를 포함하는 아날로그-디지털 컨버터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 아날로그-디지털 컨버터를 포함하는 집적 회로를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 컨버터를 위한 루프 필터는 시그마 델타 아날로그-디지털 컨버터(ADC, Analog to Digital Converter)로부터 출력된 디지털 출력 신호의 적어도 일부를 표현하는 입력 신호를 입력받는 입력단, 및 상기 입력단과 연결되고, 전력 이득을 제공하기 위한 M개의 능동 소자들 및 상기 능동 소자들 각각으로부터 출력된 신호 모두를 표현하는 출력 신호를 출력하는 출력단을 포함하며, N(N>M)차 적분을 수행하는 아날로그 능동 필터를 포함한다.
예를 들어, 상기 능동 소자들 각각은 연산 증폭기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 아날로그 능동 필터는 복수개의 직렬로 연결된 종속 아날로그 필터 요소들(cascaded analog filter elements)을 포함할 수 있다. 또한 필요에 따라, 상기 아날로그 필터 요소들은 상기 능동 소자들 중 제1 및 제2 능동 소자들로부터 각각 출력되는 신호를 입력받는 샐런-키 필터 요소(sallen and key filter element)를 포함할 수 있다.
상기 출력단은 상기 제1 및 제2 능동 소자들로부터 각각 출력되는 신호와 상기 샐런-키 필터 요소로부터 출력되는 신호를 입력받을 수 있다.
상기 시그마 델타 아날로그-디지털 컨버터는 상기 디지털 출력 신호를 기초로 생성된 아날로그 신호를 상기 입력단 및 상기 출력단에 제공하는 디지털-아날로그 변환기(Digital to Analog Converter)를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter)는 디지털 출력 신호의 적어도 일부를 표현하는 입력 신호를 입력받는 입력단, 상기 입력단과 연결되고 전력 이득을 제공하기 위한 M개의 능동 소자들, 및 상기 능동 소자들 각각으로부터 출력된 신호 모두를 표현하는 출력 신호를 출력하는 출력단을 포함하며, N(N>M)차 적분을 수행하는 루프 필터, 및 상기 루프 필터로부터 출력된 신호를 양자화하여 상기 디지털 출력 신호를 출력하는 양자화기를 포함한다.
예를 들어, 상기 능동 소자들 각각은 연산 증폭기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 아날로그 능동 필터는 복수개의 직렬로 연결된 종속 아날로그 필터 요소들(cascaded analog filter elements)을 포함할 수 있다. 또한 필요에 따라, 상기 아날로그 필터 요소들은 상기 능동 소자들 중 제1 및 제2 능동 소자들로부터 각각 출력되는 신호를 입력받는 샐런-키 필터 요소(sallen and key filter element)를 포함할 수 있다.
상기 출력단은 상기 제1 및 제2 능동 소자들로부터 각각 출력되는 신호와 상기 샐런-키 필터 요소로부터 출력되는 신호를 입력받을 수 있다.
상기 시그마 델타 아날로그-디지털 컨버터는 상기 디지털 출력 신호를 기초로 생성된 아날로그 신호를 상기 입력단 및 상기 출력단에 제공하는 디지털-아날로그 변환기(Digital to Analog Converter)를 더 포함할 수 있다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 집적 회로(IC, Integrated Circuit)는 디지털 출력 신호의 적어도 일부를 표현하는 입력 신호를 입력받는 입력단, 상기 입력단과 연결되고 전력 이득을 제공하기 위한 M개의 능동 소자들, 및 상기 능동 소자들 각각으로부터 출력된 신호 모두를 표현하는 출력 신호를 출력하는 출력단을 포함하며 N(N>M)차 적분을 수행하는 루프 필터와, 상기 루프 필터로부터 출력된 신호를 양자화하여 상기 디지털 출력 신호를 출력하는 양자화기를 포함하는 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter)를 포함한다.
예를 들어, 상기 집적 회로는 상기 집적 회로는 이미지 센서, 적외선 센서 및 바이오 센서를 포함하는 센서 장치와 CDMA(Code Division Multiple Access), GSM(Global System for Mobile telecommunication), WLAN(Wireless Local Area Network), DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 및 Bluetooth를 포함하는 무선 수신기 장치에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 NTF(Noise Transfer Function) 특성이 개선될 수 있도록 샐런-키 필터 요소(sallen and key filter element)를 이용하여 시그마 델타 아날로그-디지털 변환을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 관한 설명은 본 발명의 구조적 내지 기능적 설명들을 위하여 예시된 것에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예들에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 본 발명의 실시예들은 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
“및/또는”의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시가능 한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 즉, “제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목”의 의미는 제1, 제2 또는 제3 항목을 포함할 뿐만 아니라 제1, 제2 및 제3 항 목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 발명에서 기재된 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 기술한 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의 미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter)(1000)는 입력단(1110), 아날로그 능동 필터(1120) 및 디지털-아날로그 변환기(DAC, Digital to Analog Converter)(1130)를 포함하는 루프 필터(1100)와 양자화기(1200)를 포함한다.
입력단(1110)은 시그마 델타 아날로그-디지털 컨버터(1000)로부터 출력된 디지털 출력 신호(y(n))의 적어도 일부를 표현하는 입력 신호(x2(t))를 입력받는다. 예를 들어, 입력단(1110)은 아날로그 입력 신호(x1(t))로부터 디지털 출력 신호(y(n))의 적어도 일부를 표현하는 입력 신호(x2(t))를 뺄 수 있다.
아날로그 능동 필터(1120)는 입력단(1110)과 연결되고, M개의 능동 소자들(active devices)(1122~1126)과 출력단(1128)을 포함할 수 있고, N(N>M)차 적분을 수행한다. 즉, 아날로그 능동 필터(1120)는 복수개의 직렬로 연결된 종속 아날로그 필터 요소들(cascaded analog filter elements)을 포함할 수 있다.
출력단(1128)은 능동 소자들(1122~1126) 각각으로부터 출력된 신호 모두를 표현하는 출력 신호(I5(t))를 출력한다.
디지털-아날로그 변환기(1130)는 양자화기(1200)로부터 출력된 디지털 출력 신호(y(n))를 기초로 아날로그 신호를 생성하여 입력단(1110) 및 출력단(1128)에 제공한다.
양자화기(1200)는 출력단(1128)으로부터 출력된 신호(I5(t))를 양자화하여 디지털 출력 신호(y(n))를 출력한다.
이하, 도 2를 참조하여 아날로그 루프 필터(1120)의 동작을 살펴보기로 한다.
도 2는 도 1의 아날로그 루프 필터를 나타내는 회로도이다.
도 2를 참조하면, 아날로그 루프 필터(1120)는 연산 증폭기들(210~230)을 각각 포함하는 능동 소자들(1122~1126) 및 출력단(1128)을 포함한다.
보다 구체적으로, 아날로그 루프 필터(1120)는 전력 이득을 제공하기 위한 제1, 제2 및 제3 능동소자들(1122, 1124, 1126)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 능동 소자(1122)는 1차 적분기를 포함할 수 있고, 입력단(1110)으로부터 출력된 신호(I1(t))를 입력받아 1차 적분을 수행할 수 있다. 제2 능동 소자(1124)는 1차 적분기를 포함할 수 있고, 제1 능동 소자(1122)로부터 출력된 신호(I2(t))를 입력받아 1차 적분을 수행할 수 있다. 제3 능동 소자(1126)는 샐런-키 필터 요소(sallen and key filter element)를 포함할 수 있고, 제1 능동 소 자(1122)로부터 출력된 신호(I2(t))와 제2 능동 소자(1124)로부터 출력된 신호(I3(t))를 기초로 2차 적분을 수행할 수 있다.
출력단(1128)은 제1, 제2 및 제3 능동 소자들(1122~1126)로부터 출력된 신호들(I2(t), I3(t), I4(t))의 값들과 디지털-아날로그 변환기(1130)로부터 출력된 신호의 음의 값(-x2(t))을 모두 더하여 출력 신호(I5(t))를 출력할 수 있다. 즉, 출력단(1128)은 제1 및 제2 능동 소자들(1122, 1124)로부터 각각 출력되는 신호(I2(t), I3(t))와 샐런-키 필터 요소(1126)로부터 출력되는 신호(I4(t))를 입력받는다.
결과적으로, 출력단(1128)에 의하여 출력되는 신호(I5(t))는 다음의 수학식을 만족시킨다.
[수학식]
Figure 112007066161393-pat00001
따라서 도 2에 나타난 본 발명의 실시예는 4차 연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기를 구현할 수 있고 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기의 성능 인자들 중 하나인 NTF(Noise Transfer Function) 특성을 개선시킬 수 있다.
도 3은 도 1에 나타난 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 집적 회로를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 집적 회로(3100)는 아날로그 입력 신호(x(t))를 입력받아 디지털 출력 신호(y(n))를 출력하는 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기(1000)를 포함한다.
예를 들어, 집적 회로(3100)는 상기 집적 회로는 이미지 센서, 적외선 센서 및 바이오 센서를 포함하는 센서 장치와 CDMA(Code Division Multiple Access), GSM(Global System for Mobile telecommunication), WLAN(Wireless Local Area Network), DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 및 Bluetooth를 포함하는 무선 수신기 장치에 포함될 수 있고, 그 이외에 아날로그-디지털 변환기가 필요한 장치에 채택될 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상기에서 제시한 본 발명의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 본 발명의 모든 실시예들이 다음의 장점들을 전부 포함하여야 하는 것은 아니므로, 본 발명의 권리범위는 다음의 장점들에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예는 NTF(Noise Transfer Function) 특성이 개선될 수 있도록 샐런-키 필터 요소(sallen and key filter element)를 이용하여 시그마 델타 아날로그-디지털 변환을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 아날로그 루프 필터를 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 1에 나타난 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 집적 회로를 나타내는 블록도이다.

Claims (14)

  1. 시그마 델타 아날로그-디지털 컨버터(ADC, Analog to Digital Converter)로부터 출력된 디지털 출력 신호의 적어도 일부를 표현하는 입력 신호를 입력받는 입력단; 및
    상기 입력단과 연결되고, 전력 이득을 제공하기 위한 M개의 능동 소자들 및 상기 능동 소자들 각각으로부터 출력된 신호 모두를 표현하는 출력 신호를 출력하는 출력단을 포함하며, N(N>M)차 적분을 수행하는 아날로그 능동 필터를 포함하고,
    상기 아날로그 능동 필터는
    복수개의 직렬로 연결된 종속 아날로그 필터 요소들(cascaded analog filter elements)을 포함하고, 상기 아날로그 필터 요소들은 상기 능동 소자들 중 제1 및 제2 능동 소자들로부터 각각 출력되는 신호를 입력받는 샐런-키 필터 요소(sallen and key filter element)를 포함하며,
    상기 출력단은
    상기 제1 및 제2 능동 소자들로부터 각각 출력되는 신호와 상기 샐런-키 필터 요소로부터 출력되는 신호를 입력받는 연속 시간 시그마 델타 아날로그-디지털 컨버터를 위한 루프 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 능동 소자들 각각은 연산 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 루프 필터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 출력 신호를 기초로 생성된 아날로그 신호를 상기 입력단 및 상기 출력단에 제공하는 디지털-아날로그 변환기(Digital to Analog Converter)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 루프 필터.
  7. 디지털 출력 신호의 적어도 일부를 표현하는 입력 신호를 입력받는 입력단, 상기 입력단과 연결되고 전력 이득을 제공하기 위한 M개의 능동 소자들, 및 상기 능동 소자들 각각으로부터 출력된 신호 모두를 표현하는 출력 신호를 출력하는 출력단을 포함하며, N(N>M)차 적분을 수행하는 루프 필터; 및
    상기 루프 필터로부터 출력된 신호를 양자화하여 상기 디지털 출력 신호를 출력하는 양자화기를 포함하고,
    상기 루프 필터는
    복수개의 직렬로 연결된 종속 아날로그 필터 요소들(cascaded analog filter elements)을 포함하고, 상기 아날로그 필터 요소들은 상기 능동 소자들 중 제1 및 제2 능동 소자들로부터 각각 출력되는 신호를 입력받는 샐런-키 필터 요소(sallen and key filter element)를 포함하며,
    상기 출력단은
    상기 제1 및 제2 능동 소자들로부터 각각 출력되는 신호와 상기 샐런-키 필터 요소로부터 출력되는 신호를 입력받는 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog to Digital Converter).
  8. 제7항에 있어서, 상기 능동 소자들 각각은 연산 증폭기를 포함하는 것을 특 징으로 하는 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 디지털 출력 신호를 기초로 생성된 아날로그 신호를 상기 입력단 및 상기 출력단에 제공하는 디지털-아날로그 변환기(Digital to Analog Converter)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시그마 델타 아날로그-디지털 변환기.
  13. 삭제
  14. 삭제
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