KR100976697B1 - Residue amplifier and its application for analog to digital converter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 잔류전압 증폭기 및 이를 이용한 아날로그/디지털 변환기에 관한 것으로, 다단구조(Multi-stage) 아날로그/디지털 변환기(Analog Digital Converter, 이하 'ADC'라 함)에서 각 단의 잔류전압 증폭기(Residue Amplifier)가 기능을 함에 있어, 디지털/아날로그 변환기(Digital Analog Converter, 이하 'DAC'라 함)의 동작을 위해 필요한 기준전압을 별도의 기준전압 공급기로부터 제공받지 않고, ADC의 전원전압으로 사용되는 LDO(Low Drop-Out Regulator)에 의해 생성된 안정화된 전압을 이용함으로써, 기존의 설계에서는 필수 구성요소 중의 하나이던 기준전압 공급기를 제거함에 따라 전력소모 및 칩 면적을 줄이는 설계가 가능하고, 입력신호를 최대 전원전압까지 처리할 수 있도록 함에 따라 낮아진 전원전압 조건에서 입력신호의 다이나믹 레인지(Dynamic Range, DR)를 개선할 수 있는 효과가 있다.
잔류전압 증폭기, MDAC, 파이프라인, ADC, LDO
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a residual voltage amplifier and an analog / digital converter using the same, and includes a residual amplifier of each stage in a multi-stage analog / digital converter (hereinafter, referred to as 'ADC'). ) Function, LDO (Dow) which is used as power supply voltage of ADC without receiving reference voltage necessary for operation of Digital Analog Converter (DAC) from separate reference voltage supply. By using the stabilized voltage generated by the Low Drop-Out Regulator, it is possible to design power consumption and chip area by eliminating the reference voltage supply, which is one of the essential components in the existing design, and to maximize the input signal. By allowing the power supply voltage to be processed, it is possible to improve the dynamic range (DR) of the input signal at low power supply voltage conditions. And it is.
Residual Voltage Amplifier, MDAC, Pipeline, ADC, LDO
Description
본 발명은 잔류전압 증폭기 및 이를 이용한 아날로그/디지털 변환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다단구조(Multi-stage) 아날로그/디지털 변환기(Analog Digital Converter, 이하 'ADC'라 함)에서 각 단의 잔류전압 증폭기(Residue Amplifier)가 기능을 함에 있어, 디지털/아날로그 변환기(Digital Analog Converter, 이하 'DAC'라 함)의 동작을 위해 필요한 기준전압을 별도의 기준전압 공급기로부터 제공받지 않고, ADC의 전원전압으로 사용되는 LDO(Low Drop-Out Regulator)에 의해 생성된 안정화된 전압을 이용함으로써, 기존의 설계에서는 필수 구성요소 중의 하나이던 기준전압 공급기를 제거함에 따라 전력소모 및 칩 면적을 줄이는 설계가 가능하고, 입력신호를 최대 전원전압까지 처리할 수 있도록 함에 따라 낮아진 전원전압 조건에서 입력신호의 다이나믹 레인지(Dynamic Range, DR)를 개선할 수 있는 잔류전압 증폭기 및 이를 이용한 아날로그/디지털 변환기에 관한 것이다.The present invention relates to a residual voltage amplifier and an analog / digital converter using the same. More particularly, the residual voltage of each stage in a multi-stage analog / digital converter (hereinafter, referred to as 'ADC') is described. In the function of the Residue Amplifier, the reference voltage necessary for the operation of the Digital Analog Converter (DAC) is not supplied from a separate reference voltage supply, but is supplied to the power supply voltage of the ADC. By utilizing the stabilized voltage generated by the low drop-out regulator (LDO) used, the design reduces power consumption and chip area by eliminating the reference voltage supply, which is one of the essential components in the existing design. As the input signal can be processed up to the maximum power voltage, the dynamic range (DR) of the input signal can be The present invention relates to a residual voltage amplifier that can be improved and an analog / digital converter using the same.
일반적으로, 파이프라인 ADC(Pipelined Analog Digital Converter)는 같거나 비슷한 구조의 낮은 해상도의 ADC가 캐스케이드(cascade)형태로 연결된 다단구조 (Multi-step)의 양자화기이다.In general, a pipelined analog digital converter (ADC) is a multi-step quantizer in which low-resolution ADCs of the same or similar structure are connected in a cascade form.
도 1은 통상적인 파이프라인 ADC의 구조를 설명하기 위한 블록 구성도이다.1 is a block diagram illustrating the structure of a conventional pipeline ADC.
도 1을 참조하면, 파이프 라인 ADC는 n개의 스테이지(STG1 내지 STGn)로 구성되어 있고, 각 스테이지(STGi)는 입력 아날로그 신호의 샘플링(Sampling)을 위한 S/H(sample-and-holder, 110)와, 입력 아날로그 신호를 해당 스테이지의 낮은 해상도의 디지털 코드로 변환하는 ADC(120)와, ADC(120)의 출력에 해당하는 대표 아날로그 값과 실제 신호의 차이를 얻기 위한 DAC(Digital Analog Converter, 130)와, 감산기(140) 및 아날로그 입력신호와 해당 디지털 코드의 차이(잔류전압)를 증폭하고 2Bi-1의 이득을 갖는 잔류전압 증폭기(Residue Amplifier, 150)로 구성되어 있다.Referring to FIG. 1, the pipeline ADC is composed of n stages STG1 to STGn, and each stage STGi is a sample-and-
여기서, Bi는 i번째 스테이지(STGi)의 해상도로써, 이상적인 경우의 이득의 1/2로 설계를 함으로써 각 스테이지에서 발생한 ADC의 에러를 보정(correction)할 수 있도록 하는 구조이며, 일반적으로 DCL(Digital Correction Logic, 170)이라 불린다.Here, Bi is the resolution of the i-th stage (STGi), which is designed to correct the error of the ADC generated in each stage by designing at 1/2 of the gain in the ideal case, and generally DCL (Digital) Correction Logic (170).
도 1에서 S/H(110), DAC(130) 및 잔류전압 증폭기(150)를 묶은 하나의 빌딩 블록(Building Block)을 MADC(Multiplying DAC, 160)이라 하고, 이것이 파이프라인 ADC 구현에 있어서 핵심적인 블록이 된다.In FIG. 1, a building block that combines the S /
기존의 파이프라인 ADC의 MDAC와 플래쉬(Flash) ADC가 정확히 동작하기 위해서는 각 스테이지에 사용된 커패시터를 구동하기 위한 정밀한 기준전압이 필요하다. 이러한 정밀한 기준전압을 얻기 위해 일반적으로 집적회로(IC)에서는 단일피드백 버퍼(Unityfeedback Buffer)를 사용한다.In order for the MDAC and Flash ADCs of traditional pipeline ADCs to operate correctly, precise reference voltages are required to drive the capacitors used in each stage. In order to achieve such a precise reference voltage, an integrated circuit (IC) typically uses a unity feedback buffer.
이러한 다단구조의 ADC는 그 종류(예컨대, Pipeline, Two-step 및 Cyclic 등)에 따라 각각의 동작이 일어나는 타이밍은 다를 수 있다. 그러나, 공히 MSB를 포함한 상위 디지털 코드는 첫 번째 단(STG1)(100)에서 얻어내고, 이에 따르는 하위 단들(STG2 내지 STGn)에서 나머지 코드들을 순차적으로 얻어낸다. 각 단은 설계에 따라 일반적으로 최소 1-비트(bit)에서 최대 6-비트 정도까지의 디지털 코드를 얻어낼 수 있다.The timing of each operation of the ADC having such a multi-stage structure may vary depending on the type (eg, pipeline, two-step and cyclic). However, the upper digital code including the MSB is obtained from the first stage (STG1) 100, and the remaining codes are sequentially obtained from the lower stages (STG2 to STGn). Each stage can achieve digital codes ranging from a minimum of one bit to a maximum of six bits, depending on the design.
도 2는 1.5-비트의 해상도를 얻어내는 단의 구조를 설명하기 위한 회로도로서, 설명의 간략화를 위해, 0전위를 기준으로 +VDD, -VSS의 양전원을 가지는 경우를 가정하였고, 싱글엔디드(Single-ended) 신호를 이용하는 경우를 보였다. 그러나, 본 발명에 제안된 구조는 이에 국한되지 않으며, 단일전원과 차동신호를 이용하는 구조에 쉽게 응용될 수 있다.FIG. 2 is a circuit diagram for explaining the structure of a stage that obtains a 1.5-bit resolution. For simplicity of explanation, it is assumed that a positive power supply of + V DD and -V SS is applied based on a zero potential. (Single-ended) signal was used. However, the structure proposed in the present invention is not limited thereto, and can be easily applied to a structure using a single power supply and a differential signal.
이 회로의 동작을 설명하면 다음과 같다. 클럭이 Φ1인 동안에는 두 개의 비교기로 구성된 ADC(200)는 입력의 크기에 따라 그 출력으로 B[1:0] = 00, 01, 또는 10의 코드를 나타내고 스위치드 커패시터(Switched-Capacitor) 증폭기로 구현된 잔류전압 증폭기(210)는 제1 및 제2 커패시터(C1 및 C2)에 입력신호를 저장한다.The operation of this circuit is explained as follows. While the clock is Φ 1 , the
다음 Φ2구간이 되면 이전의 Φ1구간에서 결정되었던 ADC(200)의 출력코드에 따라 제1 커패시터(C1)에는 해당 기준전압이 연결되고, 제2 커패시터(C2)는 출력에 연결됨으로써 잔류전압을 증폭하게 된다. 이 때의 출력전압(VRES)은 하기의 수학식 1으로 표현된다.When the next Φ 2 section, the corresponding reference voltage is connected to the first capacitor C 1 according to the output code of the
여기서, b는 ADC(200)의 출력 B[1:0]이 00이면 -1이고, 01이면 0이고, 10이면 +1의 값에 해당하며 이러한 연결은 스위치 로직(SW logic)(220)에 의해 수행된다. 이렇게 하여 얻어지는 잔류전압을 입력신호에 대하여 그려보면 하기의 도 3과 같은 전달특성을 얻게 된다. 또한, -VREF/4와 VREF/4는 ADC(200)에 사용된 두 비교기의 기준전압이다{비특허문헌1; S. Lewis, H. Fetterman, G. Gross, R. Ramachandran, and T.Viswanathan, "A 10-b 20-Msample/s Analog-to-Digital Converter," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. SC-27, pp. 351-358, March 1992}.Here, b corresponds to a value of -1 if the output B [1: 0] of the
도 3은 도 2의 잔류전압 전달특성을 설명하기 위한 그래프이고, 도 4는 도 2의 잔류전압 증폭기의 출력단과 잔류전압곡선을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 LDO 전원환경에서의 잔류전압 증폭기의 출력단과 잔류전압곡선을 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도 2에 적용된 기준전압의 구동을 위한 회로도이다.FIG. 3 is a graph illustrating the residual voltage transfer characteristic of FIG. 2. FIG. 4 is a diagram illustrating an output terminal and a residual voltage curve of the residual voltage amplifier of FIG. 2. FIG. 5 is a residual voltage amplifier in an LDO power environment. Is a view for explaining the output terminal and the residual voltage curve of Figure 6 is a circuit diagram for driving the reference voltage applied in FIG.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 입력신호의 최대범위는 잔류전압 증폭기(210)의 출력신호의 범위와 동일하게 +/-VREF임을 알 수 있다. 즉, 입력신호의 최대범위는 잔류전압 증폭기(210)의 최대 스윙폭으로 제한된다.3 to 6, it can be seen that the maximum range of the input signal is +/- V REF equal to the range of the output signal of the
양전원 공급을 가정한 도 2의 회로를 보다 실제적인 경우를 고려하여 VDD와 GND의 단전원을 사용하는 일반적인 경우로 바꾸어보면, VREF로 표시한 양의 기준전압은 VRT에, -VREF로 표시한 음의 기준전압은 VRB에, 0전위로 표시한 기준전압의 중심은 VDD/2에 해당한다. 이의 설명을 위하여 도 4에 잔류전압 증폭기(210)의 출력단 구조(211)와 잔류전압 특성곡선(213)를 보였다.Considering the more practical case of the circuit of FIG. 2, which assumes a positive power supply, to a general case using a single power supply of V DD and GND, the positive reference voltage indicated by V REF is V RT , and -V REF. The negative reference voltage, denoted by, corresponds to V RB , and the center of the reference voltage, denoted by zero potential, corresponds to V DD / 2. 4 illustrates the
즉, 잔류전압 증폭기(210)의 최대 출력스윙을 고려하여 ADC(200)를 설계한다면, 양의 기준전압 VRT의 최대값은 VDD-Vdsat"에 해당하고, 음의 기준전압 VRB의 최저값은 Vdsat으로 설계될 수 있다.That is, if the
따라서, 비특허문헌 1에서의 잔류전압 특성을 이용한다면, ADC(200)의 처리 가능한 신호의 최대범위는 도 4에 도시된 바와 같이, "VRT - VRB = VDD - 2Vdsat"가 된다. 2Vdsat의 전압은 공정의 미세화로 VDD가 점차 낮아지고 있는 추세에서는 무시할 수 없는 부분을 차지하여 입력신호의 다이나믹 레인지(Dynamic Range, DR)을 눈에 띄게 떨어뜨리게 된다.Therefore, if the residual voltage characteristic in
게다가 이러한 ADC IP가 SoC에 적용되어, 전원전압의 안정화를 위한 LDO(Low Drop-Out Regulator, 215)를 사용할 경우에는 도 5에 도시된 바와 같이, LDO(215)의 드롭-아웃 전압(Drop-Out Voltage, VDO)으로 인해 가용 입력신호의 범위가 더욱 줄어들어 문제는 더욱 커진다.In addition, when the ADC IP is applied to the SoC, and the LDO (Low Drop-Out Regulator) 215 is used for stabilizing the power supply voltage, as shown in FIG. 5, the drop-out voltage (Drop−) of the
또한, VRT와 VRB의 기준전압을 생성하기 위해서는 도 6에 도시된 바와 같은 기준전압 발생기(230) 및 구동기(240)를 구비하여야 한다. 이는 ADC(200)의 면적 및 전력소모에 있어 무시할 수 없는 비중을 차지하게 된다.In addition, in order to generate the reference voltages of V RT and V RB , a
전술한 바와 같이, 전원전압이 낮아질수록 잔류전압 증폭기(210)의 포화영역 동작을 보장하기 위해 도 4에 보인 잔류전압 특성곡선(213)을 이용한다면, 잔류전압 증폭기(210)의 출력 트랜지스터에 의한 Vdsat 전압의 부담이 커지고, 이로 인해 VIN/VDD의 비가 심각하게 감소하게 되어 다이나믹 레인지(DR)가 떨어지며, 기준전압을 제공하기 위한 칩의 면적 및 전력소모의 부담이 큰 문제점이 있다.As described above, if the residual
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다단구조의 ADC에서 각 단의 잔류전압 증폭기가 기능을 함에 있어, DAC의 동작을 위해 필요한 기준전압을 별도의 기준전압 공급기로부터 제공받지 않고, ADC의 전원전압으로 사용되는 LDO에 의해 생성된 안정화된 전압을 이용함으로써, 기존의 설계에서는 필수 구성요소 중의 하나이던 기준전압 공급기를 제거함에 따라 전력소모 및 칩 면적을 줄이는 설계가 가능하고, 입력신호를 최대 전원전압까지 처리할 수 있도록 함에 따라 낮아진 전원전압 조건에서 입력신호의 다이나믹 레인지(DR)를 개선할 수 있는 잔류전압 증폭기 및 이를 이용한 아날로그/디지털 변환기를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a reference voltage required for the operation of a DAC in a multi-stage ADC in which a residual voltage amplifier of each stage functions. By using a stabilized voltage generated by the LDO, which is used as the supply voltage for the ADC, the design reduces power consumption and chip area by eliminating the reference voltage supply, which is one of the essential components in the existing design. The present invention provides a residual voltage amplifier and an analog / digital converter using the same to improve the dynamic range (DR) of an input signal under a lower power supply voltage condition by processing an input signal up to a maximum power supply voltage.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 하나의 입력 단자가 제1 내부 전압에 연결된 연산증폭기; 및 상기 연산증폭기의 다른 입력 단자에 연결되는 커패시터 회로를 포함하며, 상기 커패시터 회로는, 공통 단자가 상기 연산증폭기의 다른 입력 단자에 연결되는 제1 커패시터; 공통 단자가 상기 연산증폭기의 상기 다른 입력 단자에 연결되고, 상기 제1 커패시터의 상기 공통 단자와 연결되는 제2 커패시터; 공통 단자가 상기 연산증폭기의 상기 다른 입력 단자에 연결되고, 상기 연산증폭기의 출력 단자에 연결되는 제3 커패시터; 상기 제1 커패시터의 입력 단자에 연결되어 제2 내부 전압과 그라운드 전압을 선택적으로 스위칭하는 제1 스위치; 및 상기 제2 커패시터의 입력 단자에 연결되어 제3 내부 전압과 그라운드 전압을 선택적으로 스위칭하는 제2 스위치를 포함하는 잔류전압 증폭기를 제공하는 것이다.In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention provides an operational amplifier having one input terminal connected to a first internal voltage; And a capacitor circuit connected to the other input terminal of the operational amplifier, the capacitor circuit comprising: a first capacitor having a common terminal connected to the other input terminal of the operational amplifier; A second capacitor having a common terminal connected to the other input terminal of the operational amplifier and connected to the common terminal of the first capacitor; A third capacitor having a common terminal connected to the other input terminal of the operational amplifier and connected to an output terminal of the operational amplifier; A first switch connected to an input terminal of the first capacitor to selectively switch a second internal voltage and a ground voltage; And a second switch connected to an input terminal of the second capacitor to selectively switch a third internal voltage and a ground voltage.
여기서, 상기 제1 내부 전압은 상기 제2 및 제3 내부 전압의 절반으로 이루어짐이 바람직하다.Here, the first internal voltage is preferably made of half of the second and third internal voltage.
바람직하게, 상기 제1 및 제2 스위치는 아날로그/디지털 변환기의 출력에 따라 스위칭 제어될 수 있다.Preferably, the first and second switches can be switched controlled in accordance with the output of the analog-to-digital converter.
바람직하게, 상기 제1 내지 제3 내부 전압은 LDO(Low Drop-Out Regulator)로부터 공급받을 수 있다.Preferably, the first to third internal voltages may be supplied from a low drop-out regulator (LDO).
본 발명의 제2 측면은, 다단(Multi-stage)으로 구성되는 파이프라인 구조를 가지며, 각 단은, 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환하는 샘플-홀드 회로; 상기 아날로그 입력 신호에 해당하는 디지털 비트를 출력하는 아날로그/디지털 변환기; 상기 출력된 디지털 비트에 따라서 상기 디지털 신호를 아날로그화된 신호로 변환하기 위한 디지털/아날로그 변환기; 및 상기 아날로그 입력 신호와 상기 아날로그화된 신호의 차이를 증폭하는 잔류전압 증폭기를 포함하며, 상기 잔류전압 증폭기는, 하나의 입력 단자가 제1 내부 전원전압에 연결된 연산증폭기; 및 상기 연산증폭기의 다른 입력 단자에 연결되는 커패시터 회로를 포함하며, 상기 커패시터 회로는, 공통 단자가 상기 연산증폭기의 다른 입력 단자에 연결되는 제1 커패시터; 공통 단자가 상기 연산증폭기의 상기 다른 입력 단자에 연결되고, 상기 제1 커패시터의 상기 공통 단자와 연결되는 제2 커패시터; 공통 단자가 상기 연산증폭기의 상기 다른 입력 단자에 연결되고, 상기 연산증폭기의 출력 단자에 연결되는 제3 커패시터; 상기 제1 커패시터의 입력 단자에 연결되어 제2 내부 전압과 그라운드 전압을 선택적으로 스위칭하는 제1 스위치; 및 상기 제2 커패시터의 입력 단자에 연결되어 제3 내부 전압과 그라운드 전압을 선택적으로 스위칭하는 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류전압 증폭기를 이용한 아날로그/디지털 변환기를 제공하는 것이다.A second aspect of the present invention has a pipeline structure consisting of a multi-stage, each stage comprising: a sample-hold circuit for converting an analog input signal into a digital signal; An analog / digital converter for outputting a digital bit corresponding to the analog input signal; A digital / analog converter for converting the digital signal into an analogized signal according to the output digital bit; And a residual voltage amplifier for amplifying a difference between the analog input signal and the analogized signal, wherein the residual voltage amplifier comprises: an operational amplifier having one input terminal connected to a first internal power supply voltage; And a capacitor circuit connected to the other input terminal of the operational amplifier, the capacitor circuit comprising: a first capacitor having a common terminal connected to the other input terminal of the operational amplifier; A second capacitor having a common terminal connected to the other input terminal of the operational amplifier and connected to the common terminal of the first capacitor; A third capacitor having a common terminal connected to the other input terminal of the operational amplifier and connected to an output terminal of the operational amplifier; A first switch connected to an input terminal of the first capacitor to selectively switch a second internal voltage and a ground voltage; And a second switch connected to an input terminal of the second capacitor to selectively switch a third internal voltage and a ground voltage.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 잔류전압 증폭기 및 이를 이용한 아날로그/디지털 변환기에 따르면, 다단구조의 ADC에서 각 단의 잔류전압 증폭기가 기능을 함에 있어, DAC의 동작을 위해 필요한 기준전압을 별도의 기준전압 공급기로부터 제공받지 않고, ADC의 전원전압으로 사용되는 LDO에 의해 생성된 안정화된 전압을 이용함으로써, 기존의 설계에서는 필수 구성요소 중의 하나이던 기준전압 공급기를 제거함에 따라 전력소모 및 칩 면적을 줄이는 설계가 가능하고, 입력신호를 최대 전원전압까지 처리할 수 있도록 함에 따라 낮아진 전원전압 조건에서 입력신호의 다이나믹 레인지(DR)를 개선할 수 있는 이점이 있다.According to the residual voltage amplifier of the present invention and the analog-to-digital converter using the same as described above, the residual voltage amplifier of each stage in the multi-stage ADC function, the reference voltage required for the operation of the DAC as a separate reference By using a stabilized voltage generated by the LDO, which is used as the supply voltage for the ADC, instead of being provided by the voltage supply, power consumption and chip area can be reduced by eliminating the reference voltage supply, which is one of the essential components in conventional designs. Since the design is possible and the input signal can be processed up to the maximum power supply voltage, there is an advantage of improving the dynamic range DR of the input signal under the low power supply voltage condition.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.
먼저 본 발명은, 일반적으로 사용되는 기존의 비특허문헌1에 나타난 Lewis 구조를 벗어나, 비특허문헌2{I. Mehr and L. Singer, "A 55-mW, 10-bit, 40-Msample/s Nyquist-rate CMOS ADC," IEEE J. Solid - State Circuits, vol. 35, pp. 318-325, March 2000}에서 고속 안정화(settling)을 위해 제안된 잔류전압 특성을 얻도록 설계하고, 기준전압으로 VDD_int와 GND를 이용하는 방법을 제안한다.First, the present invention is outside the Lewis structure shown in the existing
도 7은 종래의 기술들에 적용된 구조와 본 발명에서 제안된 구조의 잔류전압 특성을 비교하기 위한 도면으로서, 기존의 Lewis 구조의 전류전압 특성과 별도의 기준전압 공급기를 이용한 잔류전압 특성(300)과, 전술한 비특허문헌3에서 보인 잔류전압 특성과 VDD와 GND를 기준전압으로 사용하는 본 발명의 제안된 구조의 잔류전압 특성(400)을 비교하여 나타낸 도면이다.7 is a view for comparing the residual voltage characteristics of the structure applied in the conventional techniques and the structure proposed in the present invention, the current voltage characteristics of the conventional Lewis structure and the residual voltage characteristics 300 using a separate reference voltage supply; And a residual voltage characteristic 400 of the proposed structure of the present invention using V DD and GND as reference voltages.
도 7을 참조하면, 도면부호 500은 전술한 도 5에 도시된 바와 같은 잔류전압 증폭기의 출력단이며, LDO(Low Drop-Out Regulator)를 이용하여 전원전압을 공급받는 경우를 나타낸 것이다.Referring to FIG. 7,
즉, 본 발명의 제안된 구조 즉, 전원전압을 기준전압으로 사용하는 제안된 잔류전압 특성(400)을 이용하는 경우에는 증폭기가 처리할 수 있는 입력신호의 범위가 GND에서부터 VDD_int까지, 내부 회로의 전원전압의 전 범위를 처리할 수 있다.That is, when using the proposed structure of the present invention, that is, the proposed residual voltage characteristic 400 using the power supply voltage as the reference voltage, the range of the input signal that the amplifier can process is from GND to V DD_int , Can handle the full range of power supply voltage.
이러한 잔류전압 특성(400)은 첫 번째 단에서만 요구되고, 두 번째 단 이후로는 기존의 Lewis 구조를 적용해도 무방하다. 그 이유는 이미 첫 번째 단의 출력이 모든 다음 단이 처리할 수 있는 범위의 일부만 차지하기 때문이다.This residual voltage characteristic 400 is required only in the first stage, and after the second stage, the existing Lewis structure may be applied. This is because the output of the first stage already occupies only a part of the range that all subsequent stages can handle.
단, 이 경우의 단점은 교정 가능한 비교기의 오프셋 범위가 줄어든다는 것이다. 예를 들어, 전술한 도 4에서와 같이 앰프의 최대 출력 스윙을 고려하여 별도의 기준전압을 설정하는 경우는, 다른 에러가 없다고 가정하는 경우, 디지털 수정기법 (digital error correction)을 이용하여 해당 단(stage) 해상도의 +/-0.5LSB 전압까지의 비교기 오프셋은 전혀 문제가 되지 않는다.The disadvantage of this case, however, is that the offset range of the comparable comparator is reduced. For example, when setting a separate reference voltage in consideration of the maximum output swing of the amplifier as shown in FIG. 4 described above, in the case of assuming that there is no other error, a corresponding step using digital error correction is performed. The comparator offset to +/- 0.5LSB voltage with stage resolution is not a problem at all.
그러나, 본 발명의 제안된 구조에서는 잔류전압 증폭기의 출력신호가 포화되기 전까지의 신호만이 수정 가능하다. 그 이상 출력이 발생하는 경우에는 포화된 증폭기에 의한 출력신호의 선형성이 현저히 떨어져 하위코드를 정확하게 얻을 수 없기 때문이다.However, in the proposed structure of the present invention, only the signal until the output signal of the residual voltage amplifier is saturated can be modified. This is because if the output is more than that, the linearity of the output signal by the saturated amplifier is so low that the lower code cannot be obtained correctly.
이렇게 허용 가능한 비교기의 오프셋 전압은 사용된 앰프의 출력가능 최저전압(VRB)과 VDD/4의 차이, 그리고 앰프의 출력가능 최고전압(VRT)과 VDD*3/4과의 차이에 의해 결정된다.The allowable offset voltage of the comparator is based on the difference between the minimum output voltage (V RB ) and V DD / 4 of the amplifier used, and the difference between the maximum output voltage (V RT ) and V DD * 3/4 of the amplifier. Is determined by.
도 7에 예로 보인 1.5-비트/단의 구조에서는 허용 가능한 비교기의 오프셋 전압이 (VRT - 3/4*VDD)/2 또는 (VDD/4 - VRB)/2로 결정된다. 여기에서 /2는 증폭기의 이득에 의한 것이다.In the 1.5-bit / stage structure shown as an example in FIG. 7, the allowable offset voltage of the comparator is determined to be (V RT -3/4 * V DD ) / 2 or (V DD / 4-V RB ) / 2. Where / 2 is due to the gain of the amplifier.
예를 들어, 도 7에서와 같이 LDO의 출력 VDD_int = 1V이고, 잔류전압 증폭기의 최저출력 전압인 VRB가 VDD_int/8, 최대출력전압 VRT가 7/8*VDD_int인 1.5-비트/단의 경우라면, 비교기에서 허용 가능한 오프셋 전압은 +/-VDD_int/16이 된다.For example, as shown in FIG. 7, 1.5-bit with the output V DD_int = 1V of the LDO, the lowest output voltage of the residual voltage amplifier, V RB is V DD_int / 8, and the maximum output voltage V RT is 7/8 * V DD_int . In the case of / stage, the allowable offset voltage in the comparator is +/- V DD_int / 16.
VDD_int가 1V인 경우에는 +/-62.5mV가 허용 가능한 비교기의 오프셋이다. 그러나, 일반적인 경우에서와 같이 회로가 완전 차동으로 구현될 경우, 수정 가능한 오프셋의 범위는 두 배로 증가하게 된다.When V DD_int is 1V, +/- 62.5mV is the allowable offset of the comparator. However, as in the general case, when the circuit is implemented in full differential, the range of modifiable offsets doubles.
도 8은 도 7의 잔류전압을 구현하기 위한 구체적인 잔류전압 증폭기의 회로도로서, 본 발명의 제안된 구조는 기존의 Lewis 구조와 유사하지만, 기준전압이 내부 전원전압(VDD_int)과 그라운드 전압(0)으로 바뀐다는 것에 주된 차이점이다.FIG. 8 is a circuit diagram of a specific residual voltage amplifier for implementing the residual voltage of FIG. 7. The proposed structure of the present invention is similar to the conventional Lewis structure, but the reference voltages are the internal power supply voltage V DD_int and the ground voltage (0). Is the main difference.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류전압 증폭기(800)는, 크게 연산증폭기(810)와 커패시터 회로(820)를 포함한다.Referring to FIG. 8, the
여기서, 연산증폭기(810)는 음(-)의 입력 단자와 내부 전원전압(VDD_int/2)에 연결되는 양(+)의 입력 단자와 출력 단자를 갖는다. 커패시터 회로(820)는 연산증폭기(810)는 음(-)의 입력 단자에 연결된다.Here, the
이러한 커패시터 회로(820)는 제1 내지 제3 커패시터(821 내지 823)를 포함한다. 제1 커패시터(821)의 상부 전극은 연산증폭기(810)의 음(-)의 단자에 연결되고, 하부 전극은 제1 스위치(824)에 연결된다. 제2 커패시터(822)의 상부 전극은 연산증폭기(810)의 음(-)의 단자에 연결되고, 하부 전극은 제2 스위치(825)에 연결된다. 제3 커패시터(823)의 상부 전극은 연산증폭기(810)의 음(-)의 단자에 연결되고, 하부 전극은 연산증폭기(810)의 출력 단자에 연결된다.The
그리고, 제1 스위치(824)는 제1 커패시터(821)의 하부 전극에 연결되어 ADC의 출력(b)에 따라 내부 전원전압(VDD_int)과 그라운드 전압(0)을 선택적으로 스위칭하고, 제2 스위치(825)는 제2 커패시터(822)의 하부 전극에 연결되어 ADC의 출력(b)에 따라 내부 전원전압(VDD_int)과 그라운드 전압(0)을 선택적으로 스위칭한다.The
한편, ADC가 신호를 전달받는 회로(일반적으로 가변이득증폭기 또는 anti-aliasing filter) 역시 ADC와 동일한 내부 전원전압(VDD_int)을 사용하는 경우가 일반적임을 고려하면, 굳이 ADC가 처리할 수 있는 입력신호의 크기가 VDD까지 도달해야 할 필요는 없음을 알게 된다. ADC를 구동하는 회로 역시 그 출력이 증폭기의 출력범위에 의해 제한되기 때문이다. 따라서, 도 7에서 보인 잔류전압 특성이 반드시 필수적인 것은 아니다.On the other hand, considering that the circuit in which the ADC receives the signal (usually a variable gain amplifier or an anti-aliasing filter) also uses the same internal power supply voltage (V DD_int ) as the ADC, the input can be processed by the ADC. It will be appreciated that the magnitude of the signal does not need to reach V DD . The circuit driving the ADC is also limited because its output is limited by the amplifier's output range. Therefore, the residual voltage characteristic shown in FIG. 7 is not necessarily essential.
도 9는 LDO 전원환경에서 Lewis 구조를 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류전압 증폭기의 출력단과 잔류전압곡선을 설명하기 위한 도면으로서, 기준전압을 내부 전원전압(VDD_int)으로 사용하면서도 전술한 비특허문헌1에 나타난 기존의 Lewis 구조를 쓴 경우를 보이고 있다.9 is a view for explaining the output terminal and the residual voltage curve of the residual voltage amplifier according to an embodiment of the present invention using the Lewis structure in the LDO power environment, while using the reference voltage as the internal power supply voltage (V DD_int ) It shows the case of using the existing Lewis structure shown in a
도 9를 참조하면, 앰프의 출력 스윙의 최대범위가 VDD_int/8 ∼ VDD_int x 7/8인 경우를 가정해보면, 1.5-비트/단 구조에서 선형성의 왜곡 없이 신호를 처리할 수 있는 입력의 최대범위는 VDD_int/16 ∼ VDD_int*15/16으로 0.875VDD이다.Referring to FIG. 9, assuming that the maximum range of the output swing of the amplifier is V DD_int / 8 to V DD_int x 7/8, the input of the signal capable of processing a signal without distortion of linearity in a 1.5-bit / stage structure The maximum range is 0.875V DD with V DD_int / 16 to V DD_int * 15/16.
이러한 전압범위는 저전력 회로에서 ADC에 신호를 전달해주는 앞 단의 회로가 제공할 수 있는 최대 출력 스윙의 영역을 넘어가는 것이어서, 비록 ADC가 GND ∼ VDD까지의 전 범위의 신호를 받지 못한다 하더라도 전달받는 신호의 손실을 없을 것이다.This voltage range is beyond the range of the maximum output swing that the preceding circuit can deliver to the ADC in low-power circuits, even though the ADC does not receive the full range of signals from GND to V DD . There will be no loss of the incoming signal.
단, ADC의 출력코드의 전체 조합에 해당하는 모든 코드를 얻지 못하기 때문에, 실효 해상도(Effective Number of Bit, ENOB)가 조금 떨어지는 단점은 나타난다.However, since all codes corresponding to the entire combination of the output codes of the ADC are not obtained, the disadvantage of the effective number of bits (ENOB) is slightly reduced.
즉, 0.0625VDD ∼ 0.9375VDD의 0.875VDD 만큼에 해당하는 신호만을 처리할 수 있으므로 000...0이나 111...1과 같이 가장 작은 신호에 해당하는 코드나 가장 큰 신호에 해당하는 코드 등 극단의 출력 코드를 발생시킬 수 없다.That is, it can process only a signal that corresponds to 0.875V DD DD ~ 0.9375V 0.0625V as in DD 000 111 and 0 ... ... corresponding to the code or the largest signals corresponding to the smallest signal, such as 1 Extreme output codes such as codes cannot be generated.
예를 들어 10-비트 ADC를 설계할 경우, 입력전압이 0.0625VDD ∼ 0.9375VDD의 범위 내에서 공급해주면 출력에서는 최대 1024*0.875 = 896개의 코드를 얻을 수 있다.For example, when designing a 10-bit ADC, supplying input voltages within the range of 0.0625V DD to 0.9375V DD yields up to 1024 * 0.875 = 896 codes at the output.
그러나, 이렇게 줄어든 코드로도 9.8-비트의 해상도에 해당하는 ADC가 구현이 되어 대부분의 적용에서 문제가 되지 않는다. 이 경우 비교기의 허용 가능한 오프셋의 범위는 도 7에서와 동일한 조건을 갖는다.However, even with this reduced code, an ADC with 9.8-bit resolution is implemented, which is not a problem for most applications. In this case, the range of allowable offsets of the comparator has the same condition as in FIG.
즉, 기존의 Lewis 구조를 그대로 사용하면서 LDO로부터의 전원전압을 기준전 압으로 사용하더라도 성능의 변화는 거의 변화가 없다는 장점이 있으며, Full scale 신호의 범위가 넓어져 LSB에 해당하는 전압이 증가하므로 비교기의 오프셋 등의 설계조건에 또한 크게 변화하지 않는다. 단 이렇게 도 7과 도 9에 제안된 구조를 사용하기 위해서는 기준전압의 노이즈에 의한 특성저하를 막기 위해 VDD_int의 조정(regulation)이 중요한 설계 이슈가 된다.That is, even if the existing Lewis structure is used as it is and the power voltage from the LDO is used as the reference voltage, there is an advantage that the performance change is almost unchanged. Since the range of the full scale signal is widened, the voltage corresponding to the LSB increases. The design conditions such as the offset of the comparator are also not significantly changed. However, in order to use the structure proposed in FIGS. 7 and 9, the regulation of V DD_int is an important design issue in order to prevent the characteristic degradation caused by noise of the reference voltage.
한편, 본 발명을 설명하기 위해 1.5-비트/단의 구조를 예를 들어 설명했으나 어떠한 해상도의 구조에서도 적용이 가능하며, 각 단에서 얻는 해상도가 증가할 수록 잔류전압 증폭기의 이득 향상으로 입력의 다이나믹 레인지(Dynamic Range)는 증가하게 된다. 도 10에는 기존 ADC의 구성과 제안된 ADC의 구성 예시를 보였다.Meanwhile, in order to explain the present invention, the structure of 1.5-bit / stage has been described as an example, but it can be applied to any resolution structure, and as the resolution obtained at each stage increases, the gain of the residual voltage amplifier is improved, thereby increasing the dynamics of the input. The dynamic range is increased. 10 shows an example of the configuration of the existing ADC and the proposed ADC.
전술한 본 발명에 따른 잔류전압 증폭기 및 이를 이용한 아날로그/디지털 변환기에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.Although a preferred embodiment of the above-described residual voltage amplifier according to the present invention and an analog-to-digital converter using the same has been described, the present invention is not limited thereto, but the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings are various. It is possible to carry out the transformation by the branch and this also belongs to this invention.
도 1은 통상적인 파이프라인 ADC의 구조를 설명하기 위한 블록 구성도이다.1 is a block diagram illustrating the structure of a conventional pipeline ADC.
도 2는 1.5-비트의 해상도를 얻어내는 단의 구조를 설명하기 위한 회로도이다.2 is a circuit diagram for explaining the structure of a stage that obtains a 1.5-bit resolution.
도 3은 도 2의 잔류전압 전달특성을 설명하기 위한 그래프이다.3 is a graph illustrating the residual voltage transfer characteristic of FIG. 2.
도 4는 도 2의 잔류전압 증폭기의 출력단과 잔류전압곡선을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the output terminal and the residual voltage curve of the residual voltage amplifier of FIG.
도 5는 LDO 전원환경에서의 잔류전압 증폭기의 출력단과 잔류전압곡선을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the output voltage and the residual voltage curve of the residual voltage amplifier in the LDO power environment.
도 6은 도 2에 적용된 기준전압의 구동을 위한 회로도이다.FIG. 6 is a circuit diagram for driving the reference voltage applied to FIG. 2.
도 7은 종래의 기술들에 적용된 구조와 본 발명에서 제안된 구조의 잔류전압 특성을 비교하기 위한 도면이다.7 is a view for comparing the residual voltage characteristics of the structure applied in the conventional techniques and the structure proposed in the present invention.
도 8은 도 7의 잔류전압을 구현하기 위한 구체적인 잔류전압 증폭기의 회로도이다.8 is a circuit diagram of a specific residual voltage amplifier for implementing the residual voltage of FIG.
도 9는 LDO 전원환경에서 Lewis 구조를 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 잔류전압 증폭기의 출력단과 잔류전압곡선을 설명하기 위한 도면이다.9 is a view for explaining the output voltage and the residual voltage curve of the residual voltage amplifier according to an embodiment of the present invention using the Lewis structure in the LDO power environment.
도 10은 기존 ADC의 구성과 본 발명의 제안된 ADC의 구성 예시를 설명하기 위한 도면이다.10 is a view for explaining the configuration of the existing ADC and the configuration example of the proposed ADC of the present invention.
Claims (8)
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