KR101590480B1 - Pipeline Analog to Digital Converter - Google Patents

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KR101590480B1 KR1020130154142A KR20130154142A KR101590480B1 KR 101590480 B1 KR101590480 B1 KR 101590480B1 KR 1020130154142 A KR1020130154142 A KR 1020130154142A KR 20130154142 A KR20130154142 A KR 20130154142A KR 101590480 B1 KR101590480 B1 KR 101590480B1
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안길초
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서강대학교산학협력단
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12Analogue/digital converters
    • H03M1/34Analogue value compared with reference values
    • H03M1/38Analogue value compared with reference values sequentially only, e.g. successive approximation type

Abstract

본 발명은 SAR ADC 기반의 MDAC를 이용한 파이프라인 ADC에 관한 것이다. 특히 MDAC의 잔류 전압 증폭기를 SAR ADC 변환기의 비교기 내에 있는 프리앰프(preamp)로 대체하고, 이때 발생하는 잔류 전압 이득 오차를 디지털 영역에서 보상하되 선형적 근사를 이용하여 잔류 전압 이득 오차가 보상된 파이프라인 ADC를 제시하는 것이다.
본 발명에 의한 파이프라인 ADC는 별도의 증폭기를 사용하지 않고 SAR ADC의 비교기(comparator)에 사용되는(비교기에 이미 구비되어 있는) 프리앰프(PA)를 이용하여 잔류 전압을 증폭시켜 전력 소모 및 칩의 면적을 줄일 수 있는 장점을 갖는다.
아울러 프리앰프의 이득의 비선형적 특성으로 야기되는 상기 증폭된 잔류 전압의 왜곡을 디지털 영역에서 보정을 하며, 이 보정에 수반되는 선형 근사를 수행함에 있어 기준 전압을 세분화함으로써 보정의 정확성을 제고시킬 수 있어 결국 파이프라인 ADC의 성능 확보를 도모할 수 있는 장점도 갖는다.
The present invention relates to a pipelined ADC using a SAR ADC based MDAC. In particular, the residual voltage amplifier of MDAC is replaced with a preamplifier in the comparator of the SAR ADC converter, and the residual voltage gain error generated at this time is compensated in the digital domain. The linear voltage approximation is used to compensate the residual voltage gain error Line ADC.
The pipelined ADC according to the present invention amplifies the residual voltage by using a preamplifier PA (already provided in the comparator) used in a comparator of the SAR ADC without using a separate amplifier, It is advantageous to reduce the area of the antenna.
In addition, the distortion of the amplified residual voltage caused by the nonlinear characteristic of the gain of the preamplifier is corrected in the digital domain, and in performing the linear approximation accompanied with the correction, the accuracy of the correction can be improved by refining the reference voltage Therefore, it has the advantage of securing the performance of the pipelined ADC.

Description

파이프라인 ADC{Pipeline Analog to Digital Converter}A pipeline ADC {Pipeline Analog to Digital Converter}

본 발명은 파이프라인 ADC(Pipeline Analog to Digital Converter)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SAR ADC(Successive Approximation Register ADC) 기반의 파이프라인 ADC에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pipelined analog to digital converter (ADC), and more particularly to a pipelined ADC based on a Successive Approximation Register ADC (SAR ADC).

최근 CMOS 공정 기술의 발달은 작은 면적, 저 전력 그리고 고속 동작이 가능한 디지털 회로의 구현을 가능하게 하고 있으며 아울러 다양하고 복잡한 신호처리가 디지털 영역에서 가능하게 하고 있다. 그러나 낮은 전원 전압과 스케일링된 디바이스의 특성 저하 등으로 인해 아날로그 회로는 설계가 더욱 어려워지고 있으며 디지털 회로에 비해 상대적으로 큰 면적과 소비전력을 필요로 하고 있다.Recent advances in CMOS process technology enable the realization of digital circuits capable of small area, low power and high speed operation, as well as enabling various complex signal processing in the digital domain. However, due to low supply voltages and degraded characteristics of the scaled device, analog circuits are becoming more difficult to design and require a relatively large area and power consumption compared to digital circuits.

따라서 공정 기술 발달에 따른 장점을 극대화하기 위하여 시스템 내부에서는 모든 신호를 디지털로 변환하여 처리하게 되었으며, 이를 위해 외부의 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환시켜주는 ADC의 역할이 매우 중요하게 되었다. 특히 통신 기술 및 High-Definition(HD), Ultra High-Definition(UHD) 등과 같은 디스플레이 기술의 발달은 고성능 멀티미디어 영상 시스템의 발전을 가속시키고 있으며, 요구되는 인터페이스 구현을 위해 12 비트 이상의 고해상도와 고속 동작이 가능한 파이프라인 ADC 설계 기술 확보가 중요한 문제로 대두되고 있다.Therefore, in order to maximize the advantages of process technology, all signals are converted into digital signals in the system, and the role of ADC that converts external analog input signal to digital signal becomes very important. In particular, the development of display technologies such as communication technology and high-definition (HD) and ultra high-definition (UHD) accelerates the development of high-performance multimedia video systems. Possible pipeline ADC design technology is becoming an important issue.

한국 등록특허공보 10-1287097, 2013.07.10 등록.Korean Registered Patent No. 10-1287097, Registered on Mar. 10, 2013.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 SAR ADC 기반의 MDAC를 이용한 파이프라인 ADC의 MDAC으로부터 출력되는 잔류 전압의 증폭을 SAR ADC 변환기의 비교기 내에 구비되어 있는 프리앰프(preamp)가 수행토록 하고, 이때 발생하는 잔류 전압 이득 오차를 디지털 영역에서 보상하되 선형적 근사를 이용하여 잔류 전압 이득 오차를 보정(보상)하는 SAR ADC 기반의 파이프라인 ADC를 제시하는 것이다.A problem to be solved by the present invention is to amplify the residual voltage output from the MDAC of the pipelined ADC using MDAC based on the SAR ADC to a preamplifier provided in the comparator of the SAR ADC converter, This paper proposes a SAR ADC based pipeline ADC that compensates residual voltage gain error in the digital domain, but compensates (compensates) the residual voltage gain error using linear approximation.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 개시하는 파이프라인 ADC는In order to solve the above problems, a pipelined ADC

SAR ADC(Successive Approximation Register ADC) 기반의 파이프라인 ADC의 각 단(stage)의 입력 신호와 상기 입력 신호를 양자화(quantization)한 신호의 차분 신호(잔류 전압)가 증폭된 신호를 상기 파이프라인 ADC의 다음 단으로 전달하는 MDAC(Multiplying Digital to Analog Converter)을 포함하고, 상기 잔류 전압의 증폭은 상기 SAR ADC의 비교기 내에 구비된 프리앰프(preamp)를 이용하여 수행되도록 하여 상기한 과제를 해결한다.A signal obtained by amplifying an input signal of each stage of a pipelined ADC based on a successive approximation register ADC (SAR ADC) and a difference signal (residual voltage) of a signal obtained by quantizing the input signal, And an MDAC (Multiplying Digital to Analog Converter) for transmitting to the next stage. The residual voltage is amplified by using a preamplifier provided in the comparator of the SAR ADC, thereby solving the above problem.

본 발명에 의한 파이프라인 ADC는 별도의 증폭기를 사용하지 않고 SAR ADC의 비교기(comparator)에 사용되는(비교기에 이미 구비되어 있는) 프리앰프(PA)를 이용하여 잔류 전압을 증폭시켜 전력 소모 및 칩의 면적을 줄일 수 있는 장점을 갖는다.The pipelined ADC according to the present invention amplifies the residual voltage by using a preamplifier PA (already provided in the comparator) used in a comparator of the SAR ADC without using a separate amplifier, It is advantageous to reduce the area of the antenna.

아울러 프리앰프 이득의 비선형적 특성으로 야기되는 상기 증폭된 잔류 전압의 오차(왜곡)를 디지털 영역에서 보정을 하며, 이 보정에 수반되는 선형적 근사를 수행함에 있어 오차 측정을 위한 기준 전압을 세분화하기 때문에 보정의 정확성을 제고시킬 수 있어 결국 파이프라인 ADC의 성능 확보를 도모할 수 있는 장점도 갖는다.In addition, the error (distortion) of the amplified residual voltage caused by the nonlinear characteristic of the preamplifier gain is corrected in the digital domain, and in performing the linear approximation accompanied with the correction, the reference voltage for error measurement is subdivided Therefore, it is possible to improve the accuracy of the correction, and as a result, it is possible to secure the performance of the pipelined ADC.

도 1a는 기존의 일반적인 파이프라인 ADC의 구성을 개략적으로 제시한 도면이다.
도 1b는 도 1a의 MDAC의 구성을 제시한 도면이다.
도 1c는 도 1a 내지 도 1b의 MDAC에 오프셋(offset) 및 잔류 전압 이득의 오차가 있는 경우의 잔류 전압 전달 특성을 제시한 도면이다.
도 2a는 본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 구성을 제시한 도면이다.
도 2b는 본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 각 단의 MDAC의 구성을 제시한 도면이다.
도 2c는 비선형 이득 특성만을 고려한 경우의 MDAC의 잔류 전압 전달 특성의 일례를 제시한 그래프이다.
도 2d는 도 2c에 제시된 그래프에서 입력 전압 VIN이 0 ~ VREF/32에 해당하는 부분을 확대시킨 그래프이다.
도 2e는 도 2d의 선형적 근사를 이용하여 각 단의 MDAC 출력 전압의 오차를 계산하는 과정을 설명하기 위해 제시한 그래프이다.
도 2f는 오차 측정 모드에서 프리앰프 이득의 비선형 오차 측정을 위한 기준 전압들(VDACREF)을 제시한 도면이다.
도 2g 내지 도 2i는 도 2f에 제시된 여러 기준 전압들 중 하나인 (7/256)VREF를 두 번째 단(STAGE 2)의 MDAC의 프리앰프에 적용하여 프리앰프 출력 오차를 측정하는 과정을 설명하기 위해 제시한 도면이다.
도 2j는 디지털 출력의 오차 보정을 위한 구간 정보 검출 회로를 제시한 도면이다.
도 3a는 오차 측정 모드에서의 타이밍 다이어그램을, 도 3b는 정상 모드에서의 타이밍 다이어그램을 제시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 동작 시뮬레이션 결과를 제시한 도면이다.
FIG. 1A is a diagram schematically showing a configuration of a conventional general pipeline ADC.
1B is a view showing the configuration of the MDAC of FIG. 1A.
FIG. 1C is a diagram illustrating a residual voltage transfer characteristic when there is an offset and a residual voltage gain error in the MDAC of FIGS. 1A to 1B. FIG.
FIG. 2A is a diagram illustrating a configuration of a pipelined ADC according to the present invention.
FIG. 2B is a diagram illustrating the configuration of the MDAC of each stage of the pipelined ADC according to the present invention.
FIG. 2C is a graph showing an example of the residual voltage transfer characteristic of the MDAC when only the non-linear gain characteristic is considered.
FIG. 2D is a graph enlarging a portion corresponding to the input voltage V IN from 0 to V REF / 32 in the graph shown in FIG. 2C.
FIG. 2E is a graph illustrating a process of calculating the error of the MDAC output voltage of each stage using the linear approximation of FIG. 2D.
FIG. 2F is a diagram showing reference voltages (VDAC REF ) for measuring the nonlinear error of the preamplifier gain in the error measurement mode.
Figures 2G-2I illustrate the process of measuring preamplifier output error by applying (7/256) V REF , one of the various reference voltages shown in Figure 2F, to the MDAC preamplifier of the second stage (STAGE 2) Fig.
2J is a diagram showing an interval information detecting circuit for error correction of a digital output.
FIG. 3A is a timing diagram in an error measurement mode, and FIG. 3B is a diagram showing a timing diagram in a normal mode.
4A to 4C are diagrams illustrating simulation results of operation of a pipelined ADC according to the present invention.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 기존 파이프라인 ADC의 구성 및 동작과 본 발명이 해결하려는 과제의 해결 방안의 개요를 우선 제시한다. 그리고 도면의 구성 요소들에 참조 번호(참조 부호)를 부여함에 있어서 동일 구성 요소에 대해서는 비록 다른 도면에 있더라도 동일 참조 번호(참조 부호)를 부여하였으며 당해 도면과 관련된 설명 시에 필요한 경우 다른 도면의 구성 요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다.Prior to the description of the concrete contents for the implementation of the present invention, for the sake of understanding, the configuration and operation of the existing pipeline ADC and the outline of the solution of the problem to be solved by the present invention will be given first. In the drawings, the same reference numerals are used to designate like elements in different drawings, and the same reference numerals (if any) It is possible to quote the element beforehand.

도 1a는 기존의 일반적인 파이프라인 ADC의 구성을 개략적으로 제시한 도면이다.FIG. 1A is a diagram schematically showing a configuration of a conventional general pipeline ADC.

각 단(Stage)은 샘플 앤 홀드 증폭기(Sample and Hold Amplifier, SHA)와 sub-ADC(n-bit A/D), sub-DAC(n-bit D/A), 감산기(subtractor), 그리고 잔류 전압 증폭기(G는 잔류 전압 이득)로 이루어지며, 각 단이 서로 종속적으로 연결되어(cascade connection) 파이프라인 ADC가 구현된다. 이때 sub-DAC, 감산기, 그리고 잔류 전압 증폭기로 구성된 부분을 MDAC(Multiplying Digital to Analog Converter)이라 한다. MDAC은 각 단의 입력 신호(V1)와 양자화된 출력 신호(DO2)에 의해 발생하는 잔류 전압(Residue)을 증폭한 신호(V2 = G·Residue)를 출력하여 다음 단의 입력 신호로 전달해 주며, 각 단의 출력 신호(V2)의 정확도에 따라 파이프라인 ADC의 전체 성능이 결정된다.Each stage consists of a sample and hold amplifier (SHA), a sub-ADC (n-bit A / D), a sub-DAC (n-bit D / A), a subtractor, And a voltage amplifier (G is a residual voltage gain), and each stage is cascade connected to implement a pipelined ADC. The part consisting of the sub-DAC, the subtractor, and the residual voltage amplifier is called MDAC (Multiplying Digital to Analog Converter). The MDAC is amplifying the residual voltage (Residue) caused by the input signal (V 1) and the quantized output signal (D O2) of each stage signal (V 2 = G · Residue) to the next stage input signal, and the overall performance of the pipeline ADC is determined according to the accuracy of the output signal V 2 of each stage.

도 1b는 도 1a의 MDAC의 구성을 제시한 도면이다.1B is a view showing the configuration of the MDAC of FIG. 1A.

Dn(n은 자연수)은 sub-ADC의 이진 코드(binary code) 출력으로서 단위 커패시터 열(C1, C2, …, Cn)을 이용하여 생성되며 high인 경우 +1, low인 경우는 -1의 값을 갖는다. MDAC은 sub-ADC의 출력값 Dn에 해당하는 아날로그 값(sub-DAC의 출력값)을 입력 신호 VIN(SHA의 출력 신호)으로부터 뺀 잔류 전압(Residue)을 증폭한 출력 신호(VRES)를 생성한다. VRES는 아래 식(1)과 같으며, 잔류 전압 이득 G는 아래 식(2)와 같이 커패시터 값 Cn, CF, 그리고 증폭기의 전압 이득 A에 의해 결정됨을 확인할 수 있다. 따라서 커패시터의 정합 및 증폭기의 전압 이득 A는 MDAC의 전체 성능을 결정하는 중요한 팩터이다.D n (n is a natural number) is generated as a binary code output of the sub-ADC using the unit capacitor row (C 1 , C 2 , ..., C n ) -1. ≪ / RTI > The MDAC generates an output signal V RES obtained by amplifying a residual voltage Residue obtained by subtracting an analog value (output value of sub-DAC) corresponding to the output value D n of the sub-ADC from an input signal V IN (output signal of SHA) do. V RES is given by the following equation (1), and the residual voltage gain G is determined by the capacitor value C n , C F and the voltage gain A of the amplifier as shown in the following equation (2). Thus, the matching of the capacitors and the voltage gain A of the amplifier are important factors that determine the overall performance of the MDAC.

Figure 112013113560318-pat00001
--- 식(1).
Figure 112013113560318-pat00001
--- Expression (1).

Figure 112013113560318-pat00002
--- 식(2).
Figure 112013113560318-pat00002
- (2).

도 1c는 도 1a 내지 도 1b의 MDAC에 오프셋(offset) 및 잔류 전압 이득의 오차가 있는 경우의 잔류 전압 전달 특성을 제시한 도면이다.FIG. 1C is a diagram illustrating a residual voltage transfer characteristic when there is an offset and a residual voltage gain error in the MDAC of FIGS. 1A to 1B. FIG.

도 1c에 제시된 특성으로부터 알 수 있는 사실은 잔류 전압 증폭기의 디지털 출력(Digital Output)의 선형성(linearity)이 오프셋(offset) 및 잔류 전압 이득의 오차에 의해 저하된다는 사실이다. ADC의 중요 성능 중 하나인 선형성을 확보하기 위해서는 정확한 전압 이득을 갖는 잔류 전압 증폭기가 필요한데, 이 사실은 본 발명에 의해 제시되는 디지털 보정 기법을 통해 증폭기의 부정확하고 비선형적인 전압 이득을 보정해야 하는 필요성을 제공한다.It can be seen from the characteristics shown in FIG. 1C that the linearity of the digital output of the residual voltage amplifier is degraded by the offset and the error of the residual voltage gain. In order to ensure linearity, one of the important performances of the ADC, a residual voltage amplifier having a correct voltage gain is required. This means that the digital correction technique proposed by the present invention requires the correction of the inaccurate and nonlinear voltage gain of the amplifier .

도 1c의 (a)는 잔류 전압 증폭기의 이득(A)이 이상적인 경우보다 작아 상기한 디지털 출력 전압에 missing 코드가 발생하는 경우이며, 도 1c의 (b)는 잔류 전압 증폭기의 이득(A)이 이상적인 경우보다 커서 중첩되는 출력 코드가 디지털 출력 전압에 발생하는 경우(Non-monotonicity)이다.1C shows a case in which a missing code is generated in the digital output voltage because the gain A of the residual voltage amplifier is smaller than the ideal case, and FIG. 1B shows the gain A of the residual voltage amplifier It is non-monotonic if an output code that is larger than the ideal case and overlaps occurs in the digital output voltage.

잔류 전압 이득의 오차는 커패시터의 부정합, 증폭기의 유한한 전압 이득 등에 의한 것이며, 이 오차로 인해 각 단의 sub-ADC에 의해 결정되는 증폭된 잔류 전압 세그먼트들의 접경 부근에서 이상적인 경우의 출력 값과 비교하여 크거나 작은 출력(VRES)이 생성된다. 그 결과 파이프라인 ADC의 최종 출력에서 코드가 빠지거나 중복되어 출력되는 결과를 유발하여 신호의 왜곡을 발생시키며 파이프라인 ADC의 전체 성능을 저하시키는 요소로 작용한다.The error of the residual voltage gain is due to the mismatch of the capacitor, the finite voltage gain of the amplifier, etc., and compared with the output value in the ideal case in the vicinity of the amplified residual voltage segments determined by the sub- So that a larger or smaller output (V RES ) is generated. As a result, the resulting output of the pipelined ADC results in missing or redundant code, resulting in distortion of the signal and degrading the overall performance of the pipelined ADC.

파이프라인 ADC는 MDAC 출력의 선형성 확보와 정확한 잔류 전압 이득을 구현하기 위해, 도 1b에 제시된 바와 같이, 피드백(feedback)을 이용한 op-amp 회로를 사용한다. 커패시터의 정합이 충분히 양호하다는 가정에서 MDAC의 잔류 전압 이득은 상기 식(2)를 참조하면 op-amp의 전압 이득 A에 의해서 결정되기 때문에 고해상도의 파이프라인 ADC 구현을 위해서는 높은 이득의 op-amp가 필요하다. 하지만 CMOS 공정의 미세화로 인해 단일 증폭단에서 구현 가능한 이득이 줄어들기 때문에 다단 구조의 op-amp(다단 증폭기)를 이용하여 MDAC에 요구되는 높은 잔류 전압 이득을 구현할 수 있다.The pipelined ADC uses an op-amp circuit using feedback, as shown in FIG. 1B, in order to ensure the linearity of the MDAC output and the accurate residual voltage gain. Since the residual voltage gain of the MDAC is determined by the voltage gain A of the op-amp with reference to Equation (2), assuming that the matching of the capacitors is sufficiently good, a high gain op-amp is required for a high resolution pipelined ADC implementation need. However, due to the miniaturization of the CMOS process, the gain that can be realized in a single amplifier stage is reduced, so that a multi-stage op-amp (multi-stage amplifier) can be used to realize the high residual voltage gain required for MDAC.

그러나 다단 증폭기의 사용은 면적과 소비전력의 증가를 초래하는 문제를 내포하며 다단으로 구성된 op-amp를 피드백을 이용하여 사용할 경우 안정성에 문제가 발생할 수 있기 때문에 주파수 보상과 같은 추가적인 기법들을 사용해야 한다.However, the use of multi-stage amplifiers involves problems that lead to an increase in area and power consumption, and additional techniques such as frequency compensation should be used as multi-stage op-amps can cause stability problems when using feedback.

파이프라인 ADC의 구성 요소 중 가장 높은 전력을 소비하는 것은 MDAC에 사용되는 op-amp이기 때문에 파이프라인 ADC의 전체적인 소비 전력을 줄이기 위해서는 op-amp의 소비 전력을 줄이는 것이 가장 중요하다. 이를 위해 op-amp 공유(op-amp sharing) 및 op-amp의 정적 전류 최소화와 같은 기법들이 제안되었다. 또한 소비 전력은 낮으나 이득 및 선형성 등 성능을 만족하지 못하는 아날로그 회로를 사용하고 그에 따른 신호 왜곡의 문제를 소정의 신호 처리를 이용하여 해결하고자하는 보정 기법(correction technique)에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.Because consuming the highest power among the components of the pipelined ADC is the op amp used in MDAC, it is most important to reduce the power consumption of the op amp in order to reduce the overall power consumption of the pipelined ADC. For this purpose, techniques such as op-amp sharing and op-amp static current minimization have been proposed. In addition, research has been actively carried out on a correction technique which uses an analog circuit which does not satisfy the performance such as gain and linearity, and which solves the problem of the signal distortion by using a predetermined signal processing .

보정 기법은 크게 아날로그 영역에서의 보정(analog-domain correction)과 디지털 영역에서의 보정(digital-domain correction)으로 분류할 수 있다. 아날로그 영역에서의 보정 기법은 부가적인 아날로그 회로를 통해 파이프라인 ADC의 성능을 개선하는 방법으로 보정에 사용되는 아날로그 회로의 정확도에 따라 그 성능이 결정된다. 따라서 정확한 보정을 위한 소자 및 회로 블록의 추가로 면적과 소비 전력이 증가하게 된다. 하지만 디지털 영역에서의 보정 기법은 추가적인 아날로그 회로를 사용하지 않고 디지털 신호 처리만을 통해 성능을 개선하기 때문에 아날로그 영역에서의 보정 기법과 비교하여 회로나 소자의 정확도에 따른 영향이 적다. 특히, 최근 공정 미세화에 따라 디지털 회로 구현에 필요한 면적 및 소비 전력이 급격히 줄어들면서 저 전력, 고속, 고해상도의 ADC 변환기 구현을 위한 핵심 기술로 그 중요성이 강조되고 있다.The correction technique can be largely divided into analog-domain correction and digital-domain correction. The calibration technique in the analog domain is a way to improve the performance of the pipelined ADC through additional analog circuitry, and its performance is determined by the accuracy of the analog circuitry used for calibration. Therefore, the area and the power consumption are increased by addition of elements and circuit blocks for accurate correction. However, since the correction technique in the digital domain improves the performance only through the digital signal processing without using the additional analog circuit, it is less influenced by the accuracy of the circuit or the device as compared with the correction technique in the analog domain. Particularly, due to the recent miniaturization of the process, the area and power consumption required for the digital circuit are rapidly reduced, and the importance is emphasized as a key technology for implementing a low power, high speed and high resolution ADC converter.

이러한 이유로 낮은 소비 전력을 갖는 12 비트 이상의 고해상도 파이프라인 ADC 구현을 위해 다양한 디지털 보정 기법이 이용되고 있지만 보정의 정확도를 높일수록 디지털 영역에서의 오차 신호 처리를 위한 디지털 보정 회로가 복잡해지면서 비용이 증가하는 문제가 있다.For this reason, various digital calibration techniques have been used to realize a 12-bit or higher-resolution pipelined ADC with low power consumption. However, as the calibration accuracy increases, the digital calibration circuit for error signal processing in the digital domain becomes complicated and the cost increases there is a problem.

따라서 본 발명이 해결하려는 과제의 해결 방안의 개요는 파이프라인 ADC의 전력 소모를 줄이기 위해 기존의 MDAC의 잔류 전압 증폭 기능을 SAR ADC의 비교기(comparator) 내에 있는(비교기에 이미 구비되어 있는) 프리앰프(preamp)가 담당하게 하는 것이며, 보정 회로의 복잡도(complexity)를 개선하기 위해 잔류 전압 이득 오차(왜곡)를 디지털 영역에서 보정하도록 하는 것이다. 이러한 방안에 의해 추가적인 회로 구성없이(추가적인 증폭기 없이) 보정을 위한 기준 전압을 세분화함으로써 보정의 성능을 향상시킬 수 있으며, 기존 파이프라인 ADC의 잔류 전압 증폭기는 그 크기를 소형화할 수 있는데 한계가 존재하는데 프리앰프는 상대적으로 더 작은 면적으로 제작 가능하므로 미세 공정에서도 활용될 수 있도록 하는 것이다. Therefore, in order to reduce the power consumption of the pipelined ADC, the solution of the problem to be solved by the present invention is to integrate the residual voltage amplification function of the existing MDAC into a preamplifier (already provided in the comparator) (preamp), and to correct the residual voltage gain error (distortion) in the digital domain in order to improve the complexity of the correction circuit. This approach can improve the performance of calibration by refining the reference voltage for calibration without additional circuitry (without additional amplifiers), and there is a limit to the size of the residual voltage amplifier of existing pipelined ADCs The preamplifier can be fabricated in a relatively small area so that it can be used in microprocessing.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.The present invention will now be described more fully hereinafter with reference to the accompanying drawings, in which exemplary embodiments of the invention are shown. Detailed description of known functions and configurations associated with the present invention, The detailed description thereof will be omitted.

도 2a는 본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 구성을 제시한 도면이다.FIG. 2A is a diagram illustrating a configuration of a pipelined ADC according to the present invention.

본 발명에 의한 파이프라인 ADC는 기존의 일반적인 파이프라인 ADC와 유사하게 총 3개의 단(STAGE 1, STAGE 2, Back-end ADC)으로 이루어진 파이프라인 구조로 이루어져 있으며, 각 단의 sub-ADC는 동일 구조의 6 비트 SAR ADC(6b SAR ADC)로 구성되어 있고 각 단에는 MDAC도 구비되어 있다. 첫 번째와 두 번째 단의 인코딩 방식은 mid-tread로 구현된다. 한편 6 비트 SAR ADC를 첫 번째 단(STAGE 1)과 두 번째 단(STAGE 2)에 사용하는 이유는 이들 두 단으로부터 출력되는 프리앰프 출력의 오차 측정 및 보정(correction)을 위한 기준 전압의 생성과 mid-tread 방식의 잔류 전압 전달 특성을 구현하기 위해서이다.The pipelined ADC according to the present invention has a pipeline structure composed of three stages (STAGE 1, STAGE 2, Back-end ADC) similar to the conventional general pipelined ADC, and each sub-ADC has the same And a 6-bit SAR ADC (6b SAR ADC). Each stage also has a MDAC. The first and second encodings are implemented as mid-treads. The reason for using the 6-bit SAR ADC for the first stage (STAGE 1) and the second stage (STAGE 2) is to generate the reference voltage for error measurement and correction of the preamplifier output from these two stages in order to realize the residual voltage transfer characteristic of the mid-tread method.

한편 신호 경로의 오프셋에 의해 증폭된 잔류 전압이 기준 전압(VREF)의 전체 영역(full scale)을 벗어나는 것(deviation)을 방지하기 위해 각 단 사이에 오프셋 보정(offset correction)을 위한 1 비트의 중첩(overlap) 영역을 이용하여 오프셋 오차 교정 범위를 갖는 5 비트 구조의 MDAC이 구현된다. 따라서 본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 각 단의 최대 잔류 전압은 상기한 전체 영역의 1/32이며, 16배 증폭된 MDAC의 최대 출력은 전체 영역의 1/2이 되도록 한다. 본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 출력 원 데이터(raw data)는 14 비트이며(5-5-6 구조), 제1 보정부에 의해 디지털 영역에서 보정되어 LSB 2 비트를 절삭(truncation)하여 파이프라인 ADC의 아날로그 입력(VIN)에 대한 최종 12 비트의 출력(DOUT)을 얻는다.On the other hand, in order to prevent the deviation of the residual voltage amplified by the offset of the signal path from the full scale of the reference voltage V REF , A 5-bit MDAC with offset error correction range is implemented using an overlap region. Accordingly, the maximum residual voltage of each stage of the pipelined ADC according to the present invention is 1/32 of the entire area, and the maximum output of the MDAC amplified by 16 times is half of the entire area. The raw data of the pipelined ADC according to the present invention is 14 bits (5-5-6 structure) and is corrected in the digital domain by the first correction unit to truncate LSB 2 bits, Obtain the final 12-bit output (D OUT ) for the analog input (V IN ) of the ADC.

도 2b는 본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 각 단의 MDAC의 구성을 제시한 도면이다.FIG. 2B is a diagram illustrating the configuration of the MDAC of each stage of the pipelined ADC according to the present invention.

위에서 언급한 바와 같이, 기존의 일반적인 파이프라인 A/D 변환기의 MDAC는 잔류 전압 증폭 이득의 정확성과 이 이득의 높은 선형성을 확보하기 위해 피드백 구조의 op-amp 응용 회로(증폭기)를 이용한다. 그러나 고속, 고해상도의 동작에 요구되는 성능을 만족시키기 위해서는 높은 이득과 넓은 대역폭을 갖는 피드백 구조를 갖는 다수의 op-amp가 필요하며 이로 인해 회로(칩)의 면적 및 전력 소모가 증가하게 된다.As mentioned above, the conventional MDAC of a pipelined A / D converter uses an op-amp application circuit (amplifier) of feedback structure to ensure the accuracy of the residual voltage amplification gain and the high linearity of this gain. However, in order to satisfy the performance required for high-speed, high-resolution operation, a large number of op-amps having a feedback structure with a high gain and a wide bandwidth are required, thereby increasing the area of the circuit (chip) and power consumption.

이러한 문제점의 해결을 위해 본 발명에 의한 파이프라인 ADC는 별도의 증폭기를 사용하지 않고 SAR ADC의 비교기에 사용되는 프리앰프(PA)를 이용하여 잔류 전압을 증폭시켜 전력 소모 및 칩의 면적을 줄일 수 있도록 한다.To solve this problem, the pipelined ADC according to the present invention amplifies the residual voltage using a preamplifier (PA) used in a comparator of a SAR ADC without using a separate amplifier, thereby reducing power consumption and chip area .

도 2b를 참조하면, 본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 각 단의 MDAC은 64개의 단위 커패시터(도 2b에서 각 커패시터의 C의 앞 숫자는 커패시터의 개수를 의미한다)를 이용하여 SAR ADC 동작을 위한 커패시터 열 기반의 6 비트 DAC로 구현된다. 비교기(Comparator)는 프리앰프(PA)와 latched comparator로 구성되며, 비교기내의 프리앰프(PA)의 개방 회로 이득 PAG는 16이다. 래치 비교기 앞 단에 프리앰프(PA)를 위치시켜 보다 큰 입력 신호를 래치 비교기에 인가해주는데, 이는 래치 비교기에 입력 신호가 인가된 후 디지털 출력이 나오는 데까지 걸리는 시간을 줄여 metastability 문제를 방지하기 위함이다.Referring to FIG. 2B, the MDAC of each stage of the pipelined ADC according to the present invention includes 64 unit capacitors (in FIG. 2B, the number before the C of each capacitor means the number of capacitors) It is implemented as a 6-bit DAC based on a capacitor row. The comparator consists of a preamplifier (PA) and a latched comparator, and the open circuit gain PAG of the preamplifier (PA) in the comparator is 16. A preamplifier (PA) is placed at the front of the latch comparator to apply a larger input signal to the latch comparator in order to avoid metastability problems by reducing the time it takes to output the digital output after the input signal is applied to the latch comparator .

본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 각 단의 MDAC은 SAR ADC의 마지막 비트가 결정된 후 비교기의 입력단에 인가되는 잔류 전압을 증폭한 값(VRES)을 다음 단으로 전달한다. 그리고 스위치들의 스위칭 방식은 스위칭 제어부에 의해 이루어진다.The MDAC of each stage of the pipelined ADC according to the present invention transfers the value (V RES ) amplifying the residual voltage applied to the input of the comparator to the next stage after the last bit of the SAR ADC is determined. The switching method of the switches is performed by the switching control unit.

VIN : sub-SAR ADC의 입력 전압.V IN : Input voltage of the sub-SAR ADC.

VREF : 외부 기준 전압으로 외부 입력 신호의 전체 범위(full scale)에 해당.V REF : External reference voltage corresponds to the full scale of the external input signal.

VRES : 프리앰프를 통해 증폭된 잔류 전압.V RES : Residual voltage amplified through the preamplifier.

VCM : 공통 모드 전압(common-mode voltage).V CM : common-mode voltage.

한편 정상 모드(normal mode, 이에 대한 자세한 사항은 후술한다)에서의 스위칭 방식은 종래의 공통 모드 기반(common-mode based) SAR ADC와 동일하다. 첫 번째 phase에서 커패시터의 top plate와 bottom plate에 각각 공통 모드 전압(VCM)과 변환하고자 하는 입력 신호(VIN)를 인가하여 입력 신호를 샘플링한다. 두 번째 phase에서 커패시터의 top plate 연결을 끊고 bottom plate를 공통 모드 전압(VCM)에 연결한 후 비교기가 구동되면 샘플링한 신호와 0을 비교하여 MSB(most significant bit)가 출력되며, 출력된 상위 비트값에 따라서 커패시터 열에 인가되는 기준 전압(VREF)이 달라지고 순차적으로 MSB부터 LSB(least significant bit)가 출력된다.Meanwhile, the switching method in the normal mode (details of which will be described later) is the same as that of the conventional common-mode based SAR ADC. In the first phase, the common mode voltage (V CM ) and the input signal (V IN ) to be converted are applied to the top and bottom plates of the capacitor to sample the input signal, respectively. In the second phase, when the top plate of the capacitor is disconnected and the bottom plate is connected to the common mode voltage (V CM ), when the comparator is driven, the most significant bit (MSB) is outputted by comparing the sampled signal with 0, The reference voltage V REF applied to the capacitor row is changed according to the bit value and the LSB (least significant bit) is sequentially output from the MSB.

LSB가 출력된 후, 커패시터 열에는 잔류 전압에 해당하는 전하량이 저장되어 있다. 따라서 비교기 내 프리앰프의 차동 입력 단(VPA, 커패시터 열의 top plate에 해당)에는 잔류 전압이 인가되고, 해당 잔류 전압을 프리앰프의 전압 이득 PAG로 증폭한 출력이 VRES이다. 증폭된 잔류 전압(VRES)은 다음 단의 입력으로 샘플링되고, 동일한 과정을 거쳐 디지털로 변환된다.After the LSB is output, the amount of charge corresponding to the residual voltage is stored in the capacitor row. Therefore, the residual voltage is applied to the differential input terminal (V PA , the top plate of the capacitor row) of the preamplifier in the comparator, and the output obtained by amplifying the residual voltage by the voltage gain PAG of the preamplifier is V RES . The amplified residual voltage (V RES ) is sampled at the input of the next stage, and is converted to digital through the same process.

본 발명에 의한 SAR ADC 기반의 파이프라인 ADC의 MDAC은 비교기 프리앰프를 통해 잔류 전압을 증폭하는데, 증폭된 잔류 전압 VRES은 프리앰프 이득의 비선형성에 의해 이상적인 파형(직선 형태)에서 벗어나 곡선 형태를 보인다(도 2c 참조, 따라서 전압 이득 VRES/VIN도 비선형적 특성을 보인다). 이러한 비선형성은 파이프라인 ADC의 선형성을 저하시키기 때문에(이상적인 동작 특성에서 많이 벗어나기 때문에) 해상도가 제한되는 문제를 갖는다. 따라서 12비트 이상의 고해상도를 구현하기 위해서는 프리앰프 이득 PAG의 비선형성으로부터 유발되는 전압 이득의 비선형적 특성을 보정해 주어야 한다. 즉 전압 이득(프리앰프 이득)의 선형성이 보장되어야 파이프라인 ADC의 이상적 동작 특성의 발현을 보장할 수 있는 것이다.The MDAC of the SAR ADC-based pipelined ADC according to the present invention amplifies the residual voltage through the comparator preamplifier. The amplified residual voltage V RES is curved out of the ideal waveform (straight line) due to the nonlinearity of the preamplifier gain (See FIG. 2C, so that the voltage gain V RES / V IN also exhibits a nonlinear characteristic). This nonlinearity has the problem of limited resolution because it degrades the linearity of the pipelined ADC (because it deviates much from ideal operating characteristics). Therefore, in order to realize a high resolution of 12 bits or more, the nonlinear characteristic of the voltage gain caused by the nonlinearity of the preamplifier gain PAG must be corrected. That is, the linearity of the voltage gain (preamplifier gain) must be ensured to ensure the manifestation of the ideal operating characteristics of the pipelined ADC.

도 2d는 도 2c에 제시된 그래프에서 입력 전압 VPA가 0 ~ VREF/32에 해당하는 부분을 확대시킨 그래프로, 0 ~ VREF/32에 해당하는 부분을 여러 구간으로 분할하여 각 분할 구간에서 선형성을 갖도록(piecewise linear) 각 분할 구간의 MDAC 출력 전압(VRES)의 곡선을 직선(일차 함수)으로 근사시킨 선형적 근사(linear-approximation) 파형을 나타내고 있다. 이렇게 선형적 근사된 MDAC 출력 전압의 파형을 이용하면 간단한 연산을 통해 이상적인 경우(Ideal case)와의 대비 MDAC 출력 전압(증폭된 잔류 전압)의 오차(왜곡)를 측정하고 이에 대한 보정의 정확성을 높일 수 있다.FIG. 2D is an enlarged graph of the input voltage V PA corresponding to 0 to V REF / 32 in the graph shown in FIG. 2C. In FIG. 2D, the portion corresponding to 0 to V REF / 32 is divided into several sections, Approximate waveform in which the curve of the MDAC output voltage (V RES ) of each divided section is linearly approximated (linear function) so as to have linearity (piecewise linear). Using this linearly approximated waveform of the MDAC output voltage, it is possible to measure the error (distortion) of the MDAC output voltage (amplified residual voltage) versus the ideal case through a simple operation and to improve the accuracy of the correction have.

도 2e는 도 2d의 선형적 근사를 이용하여 각 단의 MDAC 출력 전압의 오차를 계산하는 과정을 설명하기 위해 제시한 그래프이다.FIG. 2E is a graph illustrating a process of calculating the error of the MDAC output voltage of each stage using the linear approximation of FIG. 2D.

오차 측정 모드(error measurement mode, 오차 측정 모드에 관한 상세는 후술한다)에서 기준 전압 VDACREF(n)과 VDACREF(n+1)을 프리앰프(PA)의 입력 신호(VPA)로 인가하고 프리앰프에 의해 기준 전압이 증폭된 출력 신호를 양자화한 값 DN,E,O(n)과 DN,E,O(n+1)을 구한다. 이 때 프리앰프 출력 신호의 양자화를 위한 ADC는 오차를 측정하고자하는 MDAC의 뒷단에 연결되는 파이프라인 구조를 이용하였으며 보정 순서를 뒷 단부터 적용하여 이상적인 양자화 특성을 갖는다고 가정한다. 오차 측정 모드를 통해 구한 DN ,E,O(n), DN,E,O(n+1)과 각 기준 전압 입력에 대한 이상적인 출력값 DOUT , idl(n), DOUT , idl(n+1)을 이용하여 DN ,E,O(n) ≤ D(j) ≤ DN ,E,O(n+1) 범위에 존재하는 양자화된 MDAC의 출력 D(j)에 대한 오차 α(j)를 식(3)처럼 계산할 수 있다.The reference voltages VDAC REF (n) and VDAC REF (n + 1) are applied to the input signal V PA of the preamplifier PA in the error measurement mode (details of the error measurement mode will be described later) The quantized value D N, E, O (n) and D N, E, O (n + 1) of the output signal amplified by the reference voltage are obtained by the preamplifier. In this case, the ADC for quantizing the preamplifier output signal uses a pipeline structure connected to the rear end of the MDAC for measuring the error, and it is assumed that the correction sequence is applied from the rear to have ideal quantization characteristics. Obtained by the error measurement mode D N, E, O (n ), D N, E, O (n + 1) and the ideal output value for each of the reference voltage input D OUT, idl (n), D OUT, idl (n The error of the output D (j) of the quantized MDAC in the range of D N , E, O (n) ≤ D (j) ≤ D N , E, O (n + 1) j) can be calculated as Equation (3).

Figure 112013113560318-pat00003
Figure 112013113560318-pat00003

--- 식(3).--- (3).

이때 DN ,E(n)은 기준 전압 입력 VDACREF(n)에 대한 이상적인 프리앰프 출력의 양자화 값 DOUT , idl(n)과 이상적이지 않은 경우의 측정값 DN ,E,O(n)의 차다.The D N, E (n) is a reference voltage input, VDAC REF (n) measured values D N, E, O in an ideal case free non-quantized value D OUT, idl (n) and the ideal amplifier's output (n) of the Of cars.

DN,E(n) = DOUT,idl(n) - DN,E,O(n) --- 식(4).D N, E (n) = D OUT, idl (n) - D N, E, O (n)

그러나 실제 측정되는 DN,E,O(n) 값을 이용하여 DN,E(n)을 계산할 경우 DN,E,O(n)에 포함된 양자화 잡음이 축적되어 디지털 보정의 정확도에 영향을 주게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 DN ,E(n)에 해당하는 아날로그 값을 생성하여 양자화함으로써 보정값 계산 과정에서 발생하는 성능 저하를 최소화한다. 이에 대한 구체적인 구현 방법은 추후에 설명한다.However , when D N, E and O (n) are calculated using D N, E and O (n) values actually measured , the quantization noise contained in D N, E and O (n) accumulates, . To solve this problem, an analog value corresponding to D N , E (n) is generated and quantized to minimize the performance degradation occurring in the correction value calculation process. A concrete implementation method will be described later.

위와 같은 과정을 통해 양자화된 MDAC의 출력 D(j)와 그에 해당하는 오차 α(j)를 계산하고, 두 값의 합을 계산하여 이상적인 출력에 근사한 DCAL(j)를 구한다.The output D (j) of the quantized MDAC and the corresponding error α (j) are calculated by the above procedure, and the sum of the two values is calculated to obtain the D CAL (j) approximate to the ideal output.

DCAL(j) = D(j) + α(j) --- 식(5).D CAL (j) = D (j) +? (J) - (5).

한편 MDAC 출력 전압(증폭된 잔류 전압)의 오차의 근본적인 원인은 프리앰프의 이득 PAG의 비선형성에 기인한다고 위에서 언급하였다. 따라서 PAG의 비선형성을 선형으로 근사시켜 PAG를 보정할 필요가 있다.It is noted above that the fundamental cause of the error of the MDAC output voltage (amplified residual voltage) is due to the nonlinearity of the gain PAG of the preamplifier. Therefore, it is necessary to calibrate the PAG by linearly approximating the nonlinearity of the PAG.

우선 PAG의 비선형 오차를 측정해야 하는데, 오차 측정을 위한 기준 전압이 요구된다. 이러한 기준 전압은 통상 여러 개가 요구되는데 각 기준 전압 간 간격에 따라 보정의 정확도가 결정되며, 인접하는(neighboring) 두 개의 각 기준 전압으로 정의되는 구간이 많을수록 선형적 근사에 따른 오차가 줄어들어 보정의 정확도를 높일 수 있다.First, the nonlinear error of the PAG should be measured, and a reference voltage is required for error measurement. The accuracy of the correction is determined according to the interval between the reference voltages, and the more the intervals defined by the two neighboring reference voltages are, the less the error due to the linear approximation is, .

도 2f는 오차 측정 모드에서 PAG의 비선형 오차 측정을 위한 기준 전압(VDACREF)을 제시하고 있다. 본 발명에서는 파이프라인 ADC의 각 단마다 여러 개의 기준 전압에 대해 PAG의 비선형 오차를 측정한다.FIG. 2F shows a reference voltage (VDAC REF ) for nonlinear error measurement of the PAG in the error measurement mode. In the present invention, the nonlinear error of the PAG is measured for several reference voltages for each stage of the pipelined ADC.

도 2f에는 일례로서 (-12/256)VREF, (-11/256)VREF, …, (11/256)VREF, (12/256)VREF의 25개의 기준 전압이 제시되어 있는데, 이 경우 인접하는 두 개의 각 기준 전압으로 정의되는 구간의 수는 24개이며 각 구간의 간격은 (1/256)VREF이다. 구간의 수가 많을수록(각 구간의 간격이 좁아질수록) 선형적 근사에 따른 오차가 줄어들어 보정의 정확도를 높일 수 있다.In FIG. 2F, (-12 / 256) V REF , (-11/256) V REF , , (11/256) V REF , and (12/256) V REF . In this case, the number of intervals defined by the two adjacent reference voltages is 24, (1/256) V REF . The greater the number of intervals (the narrower the interval between each interval), the less the error due to the linear approximation, and the more accurate the correction can be.

이때 프리앰프에 의해 증폭된 잔류 전압이 이상적인 출력 범위 ±0.5VREF를 벗어날 경우(증폭된 잔류 전압이 이의 생성을 위한 기준 전압의 전체 영역(-VREF/2 ~ VREF/2)을 벗어나는 경우)를 대비하여 추가적인 8개의 기준 전압(Extra reference 영역에 있는 기준 전압들)을 고려해준다.At this time, if the residual voltage amplified by the preamplifier exceeds the ideal output range of ± 0.5V REF (when the amplified residual voltage deviates from the full range of reference voltage (-V REF / 2 to V REF / 2) (Reference voltages in the Extra reference area) against the additional eight reference voltages.

본 발명에 의한 파이프라인 ADC는 증폭된 잔류 전압의 오차를 측정하기 위한 기준 전압을 생성하기 위해 기존과는 달리 추가적인 회로를 사용하지 않고 SAR ADC에 이미 포함된 커패시터 열 DAC를 이용하여 증폭된 잔류 전압의 오차를 측정하기 위한 기준 전압을 생성한다(도 2b 참조). 본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 각 단은 6 비트의 SAR ADC를 사용하므로 커패시터 배열을 통해 생성해 낼 수 있는 증폭된 잔류 전압의 오차를 측정하기 위한 기준 전압의 최소 단위는 (1/32)VREF이다. 한편 보정의 정확도를 높이기 위해 (1/32)VREF 보다 작은 기준 전압 간격을 생성할 수 있으며 이를 위해 저항 열(resistor ladder)을 사용할 수 있는데, 예를 들어 각 단의 6 비트 SAR ADC의 커패시터 열 DAC에 저항 열을 이용하여 스케일링된 외부 기준 전압 (1/16)VREF를 인가함으로써 오차 측정 모드에 필요한 (1/256)VREF 간격의 기준 전압을 생성할 수 있다.In order to generate a reference voltage for measuring the error of the amplified residual voltage, the pipelined ADC according to the present invention uses a capacitor row DAC already included in the SAR ADC to generate a residual voltage (Refer to FIG. 2B). Since each stage of the pipelined ADC according to the present invention uses a 6-bit SAR ADC, the minimum unit of the reference voltage for measuring the error of the amplified residual voltage that can be generated through the capacitor array is (1/32) V REF . On the other hand, to increase the accuracy of the correction, a reference voltage spacing smaller than (1/32) V REF can be created and a resistor ladder can be used for this purpose. For example, a capacitor row By applying a scaled external reference voltage (1/16) V REF to the DAC using a resistor row, a reference voltage of (1/256) V REF interval required for the error measurement mode can be generated.

이하에서는 본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 동작 모드(operation mode)에 따른 파이프라인 ADC의 동작 방식을 설명한다.Hereinafter, the operation of the pipelined ADC according to the operation mode of the pipelined ADC according to the present invention will be described.

본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 동작 모드에는 오차 측정 모드(error measurement mode)와 정상 모드(normal mode)의 두 가지 모드가 있다. 도 2a를 참조하여 본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 동작 모드를 설명한다.The operation mode of the pipelined ADC according to the present invention includes two modes, i.e., an error measurement mode and a normal mode. The operation mode of the pipelined ADC according to the present invention will be described with reference to FIG.

우선 오차 측정 모드에서의 동작을 설명하면 다음과 같다.First, the operation in the error measurement mode will be described as follows.

오차 측정 모드는 각 단의 MDAC의 비교기 프리앰프에 기준 전압들(VDACREF)을 순차적으로 인가하여 출력되는 신호를 뒷 단의 SAR ADC로 양자화하여 프리앰프 출력 오차를 측정하는 모드이다.The error measurement mode is a mode in which reference voltages (VDAC REF ) are sequentially applied to the MDAC comparator preamplifier in each stage, and the output signal is quantized by the rear SAR ADC to measure the preamplifier output error.

즉, 제2 오차 측정부는 입력 신호(VIN)를 디지털로 변환하는 마지막 단(Back-end ADC)의 디지털 출력(a)을 이용하여 두 번째 단(STAGE 2) MDAC의 프리앰프 출력 오차(제2 오차, b)를 6 비트로 측정하게 된다. 제2 오차(b)의 측정은 구체적으로 상기한 식(3)에 의해 이루어진다. 제2 보정부는 두 번째 단(STAGE 2) MDAC의 프리앰프 출력(c)에 제2 오차(b)를 반영하여 두 번째 단(STAGE 2) MDAC의 프리앰프 출력(c)을 보정(본 보정은 식(5)에 의해 후술할 정상 모드에서 이루어진다)하게 된다.In other words, the second error measuring unit uses the digital output (a) of the back-end ADC that converts the input signal (V IN ) to digital to output the preamplifier output error of the second stage (STAGE 2) 2 error, b) is measured in 6 bits. The measurement of the second error (b) is specifically performed by the above-described equation (3). The second compensation unit compensates the preamplifier output (c) of the second stage (STAGE 2) MDAC by reflecting the second error (b) to the preamplifier output (c) of the second stage (STAGE 2) In a normal mode to be described later with reference to equation (5)).

첫 번째 단(STAGE 1) MDAC의 프리앰프 출력 오차(제1 오차, e)는 제2 보정부에 의해 보정(본 보정은 식(5)에 의해 후술할 정상 모드에서 이루어진다)된 두 번째 단(STAGE 2) MDAC의 프리앰프 출력(d)과 마지막 단(Back-end ADC)의 디지털 출력(a)을 이용하여 제1 오차 측정부에 의해 10 비트로 측정된다. 제1 오차의 측정도 제2 오차 측정의 경우와 마찬가지로 식(3)에 의해 이루어질 수 있으며, 제1 보정부는 첫 번째 단(STAGE 1) MDAC의 프리앰프 출력(f)에 제1 오차(e)를 반영하여 첫 번째 단(STAGE 1) MDAC의 프리앰프 출력을 보정하게 되며(이 보정도 식(5)에 의해 후술할 정상 모드에서 이루어진다), 따라서 입력 신호(VIN)가 디지털화된 최종 출력(DOUT)이 생성된다. 한편 마지막 단(Back-end ADC)의 SAR ADC는 6 비트의 ENOB(Effective Number Of Bit) 특성을 갖는다고 가정한다.The first stage (STAGE 1) MDAC preamplifier output error (first error, e) is the second stage corrected by the second correction (this correction is done in normal mode, STAGE 2) Measured in 10 bits by the first error measuring unit using the preamplifier output (d) of the MDAC and the digital output (a) of the back-end ADC. The first error can be measured by the equation (3) as in the case of the second error measurement. The first correction unit corrects the first error e to the preamplifier output f of the first stage STAGE 1, (This correction is also made in the normal mode to be described later with reference to equation (5)), so that the input signal (V IN ) is the final output digitized ( D OUT ) is generated. On the other hand, it is assumed that the SAR ADC of the last stage (back-end ADC) has a 6-bit Effective Number Of Bit (ENOB) characteristic.

두 번째 단(STAGE 2)의 MDAC 프리앰프 출력 오차(제2 오차)의 측정 과정을 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.The measurement procedure of the MDAC preamplifier output error (second error) of the second stage (STAGE 2) will be described in more detail as follows.

1) 두 번째 단(STAGE 2)의 MDAC의 커패시터 열을 이용하여 비교기 프리앰프 입력 단에 원하는 기준 전압 VDACREF(n)을 인가한다.1) Apply the desired reference voltage VDAC REF (n) to the input of the comparator preamplifier using the MDAC capacitor row of the second stage (STAGE 2).

2) 두 번째 단(STAGE 2)의 비교기 프리앰프를 통해 증폭된 기준 전압을 세 번째 단(Back-end ADC)의 SAR ADC의 커패시터 열에 샘플링 한다. 이 때 PA2와 ε2는 각각 두 번째 단 프리앰프의 이상적인 전압 이득과 실제로 적용된 프리앰프의 전압 이득 오차를 나타낸다.2) The second stage (STAGE 2) comparator preamplifier samples the amplified reference voltage to the capacitor column of the SAR ADC of the third stage (Back-end ADC). In this case, PA 2 and ε 2 represent the ideal voltage gain of the second stage preamplifier and the voltage gain error of the actually applied preamplifier, respectively.

3) 세 번째 단(Back-end ADC)의 SAR ADC의 커패시터 DAC을 이용하여 두 번째 단(STAGE 2)의 프리앰프의 이득이 이상적인 경우의 출력 값인 VDACREF(n)·PA2와 과정 2)를 통해 샘플링된 오차를 포함한 두 번째 단(STAGE 2)의 출력 신호 VDACREF(n)·(PA22)의 차, 즉 두 번째 단(STAGE 2)의 MDAC 프리앰프 출력 오차 VDACREF(n)·ε2를 구한다.3) Using the capacitor DAC of the SAR ADC of the third stage (back-end ADC), the output value of VDAC REF (n) · PA 2 in the case where the gain of the preamplifier of the second stage (STAGE 2) The difference between the output signal VDAC REF (n) · (PA 22 ) of the second stage (STAGE 2) including the sampled error, ie, the difference between the output of the MDAC preamplifier output error VDAC REF n) · ε 2 .

4) 과정 3)을 통하여 생성된 VDACREF(n)·ε2를 세 번째 단(Back-end ADC)의 SAR ADC를 이용하여 6 비트의 디지털 값으로 양자화한다.4) The VDAC REF (n) · ε 2 generated in step 3) is quantized to a 6-bit digital value using the SAR ADC of the third stage (back-end ADC).

도 2g 내지 도 2i는 도 2f에 제시된 여러 기준 전압들 중 하나인 (7/256)VREF를 두 번째 단(STAGE 2)의 MDAC의 프리앰프에 적용하여 MDAC 출력 오차를 측정하는 과정을 설명하기 위해 제시한 도면이다.Figures 2G-2I illustrate the process of measuring the MDAC output error by applying (7/256) V REF , one of the various reference voltages shown in Figure 2F, to the preamplifier of the second stage (STAGE 2) Fig.

우선 도 2g에서와 같이 두 번째 단(STAGE 2)의 MDAC의 차동 구조 커패시터 열 전하를 리셋(reset) 시킨다. 그리고 다음 위상에서 도 2h와 같이 각 차동 커패시터 열 중 7C(= 4C + 2C + C)를 +VREF/16와 -VREF/16로 연결하여 전하 재분배(charge redistribution)를 통해 두 번째 단(STAGE 2)의 MDAC의 프리앰프 차동 입력 VIN _ PA2가 기준 전압 (7/256)VREF가 되도록 한다. VIN_PA2는 프리앰프를 통해 증폭되어 세 번째 단의 SAR ADC 입력으로 샘플링 되는데, 이때 증폭된 기준 전압은 두 번째 단(STAGE 2)의 프리앰프의 비선형 오차를 포함하고 있다. 마지막으로 도 2i에서와 같이 세 번째 단(Back-end ADC)의 SAR ADC의 커패시터 DAC 배열을 스위칭하여 두 번째 단(STAGE 2)의 프리앰프의 이득 오차에 의해 발생된 신호 성분만 마지막 단(Back-end ADC)의 SAR ADC의 입력으로 제공한다. 마지막 단(Back-end ADC)의 SAR ADC는 샘플링된 오차를 6 비트의 디지털 값으로 변환한다. 동일한 방법으로 나머지 기준 전압들에 대해 두 번째 단(STAGE 2)의 프리앰프 오차를 측정한다.First, as shown in FIG. 2G, the differential capacitor thermal load of the MDAC of the second stage (STAGE 2) is reset. Then, in the next phase, as shown in FIG. 2H, 7C (= 4C + 2C + C) of each of the differential capacitor columns is connected to + V REF / 16 and -V REF / 16 to perform charge redistribution in the second stage 2) so that the MDAC of the pre-amplifier differential input V iN _ PA2 a reference voltage (7/256) of V REF. V IN_PA2 is amplified by the preamplifier and sampled to the SAR ADC input of the third stage, where the amplified reference voltage includes the nonlinear error of the preamplifier of the second stage (STAGE 2). Finally, by switching the capacitor DAC arrangement of the SAR ADC of the third stage (back-end ADC) as shown in FIG. 2i, only the signal component generated by the gain error of the preamplifier of the second stage (STAGE 2) -end < / RTI > ADC). The SAR ADC of the last stage (back-end ADC) converts the sampled error to a 6-bit digital value. Measure the preamplifier error of the second stage (STAGE 2) for the remaining reference voltages in the same way.

두 번째 단(STAGE 2)의 MDAC 프리앰프 출력의 오차 측정이 완료되면 제1 오차 측정부에 의해 첫 번째 단(STAGE 1)의 MDAC 프리앰프 출력의 오차 측정이 이루어진다. 첫 번째 단(STAGE 1)의 MDAC 프리앰프 출력의 오차 측정 과정은 두 번째 단(STAGE 2)의 MDAC 프리앰프의 출력 오차의 측정 과정과 거의 동일하다. 다만 첫 번째 단(STAGE 1)의 MDAC 프리앰프 출력 오차는 두 번째(STAGE 2)와 마지막 단(Back-end ADC)을 이용하여 10 비트 디지털 값으로 측정되며 따라서 두 번째 단(STAGE 2)의 디지털 출력의 보정된 출력(d)을 이용해야 한다는 점이 두 번째 단(STAGE 2)의 오차를 측정하는 경우와 다르다. 모든 기준 전압에 대한 에러(오차) 측정이 완료되면 바로 언급할 정상 모드에서 상기 측정된 오차를 이용하여 MDAC 프리앰프의 출력을 보정하게 된다.When the error measurement of the MDAC preamplifier output of the second stage (STAGE 2) is completed, the error measurement of the MDAC preamplifier output of the first stage (STAGE 1) is performed by the first error measuring unit. The error measurement procedure of the MDAC preamplifier output of the first stage (STAGE 1) is almost the same as the measurement of the output error of the MDAC preamplifier of the second stage (STAGE 2). However, the output error of the MDAC preamplifier in the first stage (STAGE 1) is measured as a 10-bit digital value using the second (STAGE 2) and the last stage (back-end ADC) The use of the corrected output (d) of the output is different from the case of measuring the error of the second stage (STAGE 2). When the error (error) measurement for all the reference voltages is completed, the output of the MDAC preamplifier is corrected using the measured error in the normal mode to be mentioned immediately.

다음으로 정상 모드에서의 동작을 설명하면 다음과 같다.Next, the operation in the normal mode will be described as follows.

정상 모드는 오차 측정 모드에서 측정된 프리앰프의 출력 오차를 이용하여 디지털 출력(MDAC 프리앰프의 출력)을 보정하고, 보정의 결과에 따라 일반적인 파이프라인 ADC와 동일한 방식으로 입력 신호(VIN)에 대한 양자화를 수행하는(DOUT을 생성하는) 모드이다.The normal mode uses the output error of the preamplifier measured in the error measurement mode to correct the digital output (the output of the MDAC preamplifier) and adjusts the input signal (V IN ) (To generate D OUT ).

이때 각 단의 MDAC이 입력에 대한 잔류 전압을 출력하는데 필요한 클록 주기(clock period)는 sub-ADC의 해상도에 의해 결정된다. 일반적인 플래시(flash) 구조의 ADC 대신 SAR ADC를 사용하므로 비교기의 숫자는 줄어들지만 양자화에 필요한 시간은 증가하게 된다. 본 발명에 의한 파이프라인 ADC는 각 단에 6 비트의 SAR ADC를 사용하고 반 클록(half clock) 주기를 이용하여 6 비트의 출력을 얻는데 총 4 클록의 시간(전체 클록(full clock) 주기를 이용하는 경우에는 총 8 클록)이 필요하다.In this case, the clock period required for the MDAC of each stage to output the residual voltage for the input is determined by the resolution of the sub-ADC. Using a SAR ADC instead of a typical flash-structured ADC reduces the number of comparators but increases the time required for quantization. The pipelined ADC according to the present invention uses a 6-bit SAR ADC for each stage and obtains a 6-bit output using a half clock cycle. The total of 4 clocks (using a full clock cycle In total, 8 clocks).

정상 모드에서 첫 번째 단(STAGE 1)과 두 번째 단(STAGE 2)의 디지털 출력(f, c)에 대한 보정값 α(j)는 상기한 식(3)을 이용하여 제1 오차 측정부, 제2 오차 측정부에 의해 구한다. 이때 상기한 D(j)가 포함된 구간 정보를 이용하여 구분적 선형 근사에 필요한 네 개의 값 DN,E,O(n), DN,E,O(n+1), DN,E(n), DN,E(n+1)을 가져오게 된다. D(j)가 포함된 구간 정보는 아래 식(6)을 만족시키는 n값이 되며 도 2j에 제시된 플래시 구조의 디지털 비교기(디지털 출력의 오차 보정을 위한 구간 정보 검출 회로)를 이용하여 구할 수 있다.The correction value? (J) for the digital outputs (f, c) of the first stage (STAGE 1) and the second stage (STAGE 2) in the normal mode is calculated using the equation (3) Is obtained by a second error measuring unit. At this time, using the contains the above D (j) period information piecewise linear four values required to approximate D N, E, O (n ), D N, E, O (n + 1), D N, E (n), D N, E (n + 1). The section information including D (j) has an n value satisfying the following equation (6) and can be obtained by using a digital comparator of the flash structure shown in FIG. 2J (an interval information detecting circuit for error correction of the digital output) .

DN ,E,O(n) ≤ D(j) ≤ DN ,E,O(n+1), n = -12, -11, …, +11, +12 --- 식(6). D N, E, O (n ) ≤ D (j) ≤ D N, E, O (n + 1), n = -12, -11, ... , +11, +12 - (6).

도 2j에 제시된 구간 정보 검출 회로는 D(j)를 오차 측정 모드에서 측정된 DN,E,O(k) (k = -12 ~ +12)와 비교하고 해당되는 구간 정보를 온도계 코드(Thermometer Code)로 출력한다. 아래의 표는 구간 정보 검출 회로의 온도계 코드 출력에 대한 구간 정보 n을 나타낸다.The interval information detection circuit shown in FIG. 2J compares D (j) with D N, E, O (k) (k = -12 to +12) measured in the error measurement mode and stores the corresponding interval information in a thermometer Code). The following table shows the interval information n for the thermometer code output of the interval information detection circuit.

Figure 112013113560318-pat00004
Figure 112013113560318-pat00004

도 3a는 오차 측정 모드에서의 타이밍 다이어그램을 제시한 도면이다.3A is a diagram showing a timing diagram in an error measurement mode.

첫 번째 단(STAGE 1)의 경우 MDAC 출력의 오차 측정을 위한 기준 전압 VDACREF를 생성해서 최종 10 비트의 디지털 출력을 얻는데 총 9 클록의 지연(latency) 시간이 필요하다. 두 번째(STAGE 2)와 세 번째 단(Back-end ADC)은 각각 6 비트의 디지털 출력을 내보내는데 5 클록이 필요하다. 따라서 25개의 디지털 기준 전압에 대해 첫 번째 단(STAGE 1)의 오차를 측정하기 위해서는 총 79(= 4 + 5*25) 클록이 소요된다.For the first stage (STAGE 1), a total latency time of 9 clocks is required to generate the final 10-bit digital output by generating the reference voltage VDAC REF for the error measurement of the MDAC output. The second (STAGE 2) and third (Back-end ADC) require 5 clocks to output 6 bits of digital output, respectively. Therefore, a total of 79 (= 4 + 5 * 25) clocks are required to measure the error of the first stage (STAGE 1) for 25 digital reference voltages.

두 번째 단(STAGE 2)의 경우 MDAC 출력의 오차 측정을 위한 기준 전압 VDACREF를 생성해서 최종 6 비트의 디지털 출력을 얻는데 총 6 클록의 지연 시간이 필요하다. 이 때 세 번째 단(Back-end ADC)은 6 비트의 디지털 출력을 내보내는데 5 클록이 필요하다. 따라서 25개의 디지털 기준 전압에 대한 두 번째 단(STAGE 2)의 오차를 측정하기 위해서는 총 76(= 1 + 5*25) 클록이 소요되며, 결국 오차 측정 모드 전체로는 155(= 79 + 76) 클록이 필요하게 된다.In the second stage (STAGE 2), a total of 6 clocks of delay time is required to generate the final 6-bit digital output by generating the reference voltage VDAC REF for the error measurement of the MDAC output. The third stage (back-end ADC) requires 5 clocks to output a 6-bit digital output. Therefore, in order to measure the error of the second stage (STAGE 2) with respect to 25 digital reference voltages, a total of 76 (= 1 + 5 * 25) clocks are required. A clock is needed.

도 3b는 정상 모드에서의 타이밍 다이어그램을 제시한 도면이다.3B is a diagram showing a timing diagram in a normal mode.

각 단의 MDAC이 입력을 샘플링하여 디지털 출력과 증폭된 잔류 전압을 생성하는데 4 클록이 필요하며, 이때 각 단의 SAR ADC는 1/2 클록마다 디지털 출력을 내보낸다. 따라서 100[MS/s] 동작을 위해서는 각 단의 SAR ADC가 800[MHz]로 동작해야 한다.Each stage of MDAC requires 4 clocks to sample the input to produce a digital output and an amplified residual voltage, where each stage of the SAR ADC outputs a digital output every 1/2 clock. Therefore, for 100 [MS / s] operation, each stage SAR ADC should operate at 800 [MHz].

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 파이프라인 ADC의 동작 시뮬레이션 결과를 제시한 도면이다.4A to 4C are diagrams illustrating simulation results of operation of a pipelined ADC according to the present invention.

본 발명에 의한 파이프라인 ADC는 12 비트 100[MS/s] 동작을 가정하여 동작 모델 시뮬레이션을 수행하였다. 아울러 실제 설계 시 발생할 수 있는 회로 및 소자의 비이상적인 특성을 반영하였다. 스케일링된 외부 기준 전압 ±VREF/16을 생성하기 위해 사용된 저항 열(resistor ladder)에는 0.1[%]의 균등 분포를 갖는 상대적인 부정합(relative mismatch)을 적용하였으며, 커패시터는 12 비트의 정합을 가정하여 0.025[%]의 균등 분포를 갖는 상대적인 부정합을 적용하였다. 출력값 보정 대상 프리앰프는 절대적인 선형 이득(Absolute Linear Gain)의 경우 ±10[%]의 균등분포를 갖는 부정합을 적용하였으며, 비선형 이득(Non-linear Gain)은 절대적인 선형 이득을 기준으로 최대 출력에서 10[%]의 오차를 갖는 다차 함수를 이용하여 모델링 하였다. 프리앰프의 오프셋은 ±5[mV]로 설정하였다.The pipelined ADC according to the present invention performs a motion model simulation assuming a 12-bit 100 [MS / s] operation. It also reflects the non-ideal characteristics of circuits and devices that can occur in actual design. A relative mismatch with an even distribution of 0.1 [%] is applied to the resistor ladder used to generate the scaled external reference voltage ± V REF / 16, and the capacitor assumes a 12-bit match Relative mismatch with an even distribution of 0.025 [%] was applied. The preamplifier to which the output value is to be calibrated is applied a mismatch with an even distribution of ± 10 [%] in the case of an absolute linear gain. The non-linear gain is obtained by multiplying the absolute output by 10 And [%], respectively. The offset of the preamplifier is set to ± 5 [mV].

도 4a는 회로 및 소자의 비이상적인 특성을 반영하여 본 발명에 의한 파이프라인 ADC에 대한 동작 시뮬레이션을 수행한 결과이다.4A is a result of performing an operation simulation on a pipelined ADC according to the present invention, reflecting non-ideal characteristics of a circuit and a device.

보정 전의 출력 FFT 스펙트럼은 47.8[dB]의 SNDR(Signal-to-Noise and Distortion Ratio)과 60.5[dB]의 SFDR(Spurious Free Dynamic Range)를 나타내는데, 본 발명에 의한 보정 기법을 적용한 후 SNDR은 69.8[dB], SFDR은 88.8[dB]로 개선되었음을 확인할 수 있다.The output FFT spectrum before correction shows a signal-to-noise and distortion ratio (SNDR) of 47.8 [dB] and a spurious free dynamic range (SFDR) of 60.5 [dB]. After applying the correction technique according to the present invention, [dB] and the SFDR is improved to 88.8 [dB].

도 4b는 스케일링된 외부 기준 전압 ±VREF/16의 정확도가 본 발명에 의한 보정 기법의 성능에 미치는 영향을 확인하기 위한 시뮬레이션 결과를 제시한 도면이다.4B is a diagram illustrating a simulation result for checking the influence of the accuracy of the scaled external reference voltage ± V REF / 16 on the performance of the correction technique according to the present invention.

외부 기준 전압을 스케일링하기 위해 사용된 저항 열의 상대적인 부정합을 0.1[%]에서 1[%]까지 변화시키면서 각각의 경우에 대해 10개의 임의의 조건을 가지고 보정된 출력 신호에 대한 SNDR을 측정하였다. 이때 커패시터의 부정합은 0.025[%]와 0.05[%] 두 가지의 균등 분포를 갖는 조건을 적용하였으며 그 외의 조건은 도 4a에서의 동작 모델 시뮬레이션의 경우와 동일하다. 측정 결과에서 살펴볼 수 있듯이 저항 열의 부정합 조건이 1[%]인 경우에도 본 발명에 의한 ADC의 보정 후 SNDR 성능이 69[dB] 이상을 유지하고 있다.The SNDR for the calibrated output signal was measured with 10 arbitrary conditions for each case while varying the relative mismatch of the resistor string used to scale the external reference voltage from 0.1 [%] to 1 [%]. In this case, the condition of the capacitor mismatch is 0.025 [%] and 0.05 [%], and the other conditions are the same as those of the operation model simulation in FIG. 4A. As can be seen from the measurement results, even when the mismatching condition of the resistance column is 1 [%], the SNDR performance after the correction of the ADC according to the present invention is maintained at 69 [dB] or more.

도 4c는 동작 시뮬레이션의 DNL(Differential NonLinearity)과 INL(Integral NonLinearity)의 측정 결과를 제시한 도면이다.4C is a diagram showing measurement results of DNL (Differential Nonlinearity) and INL (Integral NonLinearity) of an operation simulation.

동일한 조건에서 보정을 적용하지 않았을 경우 DNL은 1[LSB], INL은 11.22[LSB]의 성능을 보여주고 있으나, 본 발명에 의한 보정 기법을 적용할 경우 DNL은 0.5[LSB], INL은 1.22[LSB]로 선형성이 개선됨을 확인할 수 있다.When the correction is applied under the same conditions, DNL is 1 [LSB] and INL is 11.22 [LSB]. However, when the correction method according to the present invention is applied, DNL is 0.5 [LSB] and INL is 1.22 [ LSB], the linearity is improved.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. The disclosed embodiments should, therefore, be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (7)

SAR ADC(Successive Approximation Register ADC) 기반의 파이프라인 ADC에 있어서:
상기 파이프라인 ADC의 각 단(stage)의 입력 신호와 상기 입력 신호를 양자화(quantization)한 신호의 차분 신호(잔류 전압)가 증폭된 신호를 상기 파이프라인 ADC의 다음 단으로 전달하는 MDAC(Multiplying Digital to Analog Converter)을 포함하고,
상기 잔류 전압의 증폭은 상기 SAR ADC의 비교기 내에 구비된 프리앰프(preamp)를 이용하여 수행되며,
상기 프리앰프 이득(gain)의 비선형적(비이상적) 특성에서 야기되는 상기 증폭된 잔류 전압의 오차(에러)를 측정하고, 상기 오차를 이용하여 상기 증폭된 잔류 전압을 선형적(이상적) 특성에 근사하도록 보정하는 오차 측정/보정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
For a pipelined ADC based on a Successive Approximation Register ADC (ADC):
(MDAC) that transfers a signal obtained by amplifying a difference signal (residual voltage) between a signal input to each stage of the pipelined ADC and a signal obtained by quantizing the input signal to the next stage of the pipelined ADC, to Analog Converter)
The amplification of the residual voltage is performed using a preamplifier provided in the comparator of the SAR ADC,
(Error) of the amplified residual voltage caused by the nonlinear (non-ideal) characteristic of the preamplifier gain is measured, and the amplified residual voltage is converted into a linear (ideal) characteristic using the error And an error measurement / correction unit that corrects the error to approximate the error.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 파이프라인 ADC는 3단 구성인 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
The method according to claim 1,
Wherein the pipelined ADC is a three-stage configuration.
제 3 항에 있어서, 상기 오차의 측정은
상기 파이프라인 ADC의 두 번째 단(STAGE 2)의 MDAC 프리앰프 출력 오차를 구하는 경우에는 상기 파이프라인 ADC의 마지막 단(Back-end ADC)의 SAR ADC의 출력을 이용하여 이루어지고, 상기 파이프라인 ADC의 첫 번째 단(STAGE 1)의 MDAC 프리앰프 출력 오차(제1 오차)를 구하는 경우에는 상기 두 번째 단(STAGE 2)의 SAR ADC의 출력과 상기 마지막 단의 SAR ADC의 출력을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
4. The method of claim 3,
The output of the SAR ADC of the back-end ADC of the pipeline ADC is used to obtain the MDAC preamplifier output error of the second stage (STAGE 2) of the pipelined ADC, (First error) of the MDAC preamplifier output error (STAGE 1) of the first stage (STAGE 1) is obtained by using the output of the SAR ADC of the second stage (STAGE 2) and the output of the SAR ADC of the last stage Features a pipelined ADC.
제 4 항에 있어서, 상기 보정은
상기 증폭된 잔류 전압의 생성을 위한(상기 오차의 측정을 위한) 기준 신호에 따른 상기 증폭된 잔류 전압의 특성 곡선을 상기 기준 신호를 세분화하여 여러 구간으로 분할한 후, 상기 각 분할 구간에 해당하는 특성 곡선을 선형화(piecewise linearization)시켜 이루어지는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC
5. The method of claim 4,
A characteristic curve of the amplified residual voltage according to a reference signal (for measurement of the error) for generating the amplified residual voltage is subdivided into a plurality of subdivisions into a plurality of subdivisions, Characterized in that the characteristic curve is linearized by piecewise linearization.
제 5 항에 있어서, 상기 오차는
상기 각 분할 구간 단위로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
6. The method of claim 5,
Wherein the pipeline ADC comprises a plurality of divisional sections.
제 6 항에 있어서, 상기 기준 신호는
상기 MDAC으로부터 직접 생성되어 상기 프리앰프의 입력으로 인가되는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
7. The method of claim 6,
And directly generated from the MDAC and applied as an input to the preamplifier.
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Shen et al. A linear-approximation technique for digitally-calibrated pipelined A/D converters

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