KR102084918B1 - Sar 기반의 증가형 아날로그 디지털 변환기 - Google Patents

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울산과학기술원
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Abstract

본 발명에 따른 SAR 기반의 증가형 아날로그 디지털 변환기는, SAR(success approximation register) 로직을 이용하여 입력신호(VIN)로부터 N비트의 MSB(most significant bit)s와 SAR 레지듀(residue)를 생성하는 아날로그 디지털 변환부(ADC)와, 생성된 상기 SAR 레지듀를 입력받아 상기 SAR 레지듀에 대응하는 아날로그 전압을 출력하는 샘플앤홀드부(S/H)와, 상기 아날로그 전압을 입력받아 1비트 출력을 생성하는 증가형 델타 시그마 ADC부와, 생성된 상기 1비트 출력을 입력받아 N비트의 LSB(least significant bit)s를 생성하는 데시메이션 필터부와, 상기 MSBs와 상기 LSBs를 합하여 최종의 디지털 값을 출력하는 혼합부를 포함할 수 있다.

Description

SAR 기반의 증가형 아날로그 디지털 변환기{ANALOG DIGITAL CONVERTER BASED ON SUCCESS APPROXIMATION REGISTER}
본 발명은 아날로그 디지털 변환기(ADC)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 SAR(success approximation register)을 기반으로 하는 2차 증가형 아날로그 디지털 변환기에 관한 것이다.
일반적으로, 통신 네트워크의 계측기 분야, 자동 분석기의 계측기 분야, 센서 분야 등에 사용되는 전자기기에는 고해상도와 저전력 등의 기능을 충족시킬 수 있는 아날로그 디지털 변환기가 요구되고 있다.
종래의 줌(zoom) 아날로그 디지털 변환기(ADC)는 입력 주파수보다 매우 높은 샘플링 주파수를 이용하기 때문에 기존의 다른 ADC보다 상대적으로 높은 비트(bit)를 구현할 수 있으며, 이러한 기술 특성으로 인해 비교적 낮은 주파수의 DC 신호를 디지털로 변환하는데 주로 이용되고 있다.
종래의 줌 ADC의 경우, MSB(most significant bit)에 대해서는 SAR(success approximation register) 구조를 이용하고, LSB(least significant bit)에 대해서는 증가형 동작을 이용하는데, 이러한 기술 특성으로 인해 종래의 줌 ADC는 목표 비트를 얻기 위해서 상대적으로 많은 싸이클수를 필요로 하게 되는 문제가 있으며, 이러한 문제는 상대적으로 긴 변환 시간(conversion time)을 필요로 하게 되는 단점을 유발시킨다.
그리고, 종래의 증가형 델타 시그마 아날로그 디지털 변환기는 고해상도를 얻기 위해 입력을 샘플링하는 고성능의 샘플앤홀드(S/H)를 필요로 할 뿐만 아니라 넓은 칩 면적과 큰 전력 소모를 유발시키는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제2013-0026627호(공개일: 2013. 03. 14.)
본 발명은 작은 입력을 받는 샘플앤홀드(S/H)의 적용을 통해 안정적이면서도 작은 노이즈를 갖는 증폭기 구조를 사용할 수 있는 SAR 기반의 증가형 아날로그 디지털 변환기를 제공하고자 한다.
본 발명은 데시메이션 필터가 LSBs만 출력하도록 함으로써, 칩 면적과 전력 소모를 절감할 수 있는 SAR 기반의 증가형 아날로그 디지털 변환기를 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은, 일 관점에 따라, SAR(success approximation register) 로직을 이용하여 입력신호(VIN)로부터 N비트의 MSB(most significant bit)s와 SAR 레지듀(residue)를 생성하는 아날로그 디지털 변환부(ADC)와, 생성된 상기 SAR 레지듀를 입력받아 상기 SAR 레지듀에 대응하는 아날로그 전압을 출력하는 샘플앤홀드부(S/H)와, 상기 아날로그 전압을 입력받아 1비트 출력을 생성하는 증가형 델타 시그마 ADC부와, 생성된 상기 1비트 출력을 입력받아 N비트의 LSB(least significant bit)s를 생성하는 데시메이션 필터부와, 상기 MSBs와 상기 LSBs를 합하여 최종의 디지털 값을 출력하는 혼합부를 포함하는 SAR 기반의 증가형 아날로그 디지털 변환기를 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 아날로그 디지털 변환부는, 8비트의 상기 MSBs를 생성할 수 있다.
본 발명의 상기 증가형 델타 시그마 ADC부는, 2차 노이즈 세이핑(noise shaping) 효과를 위해 2차 델타 시그마 변조 방식을 이용할 수 있다.
본 발명의 상기 데시메이션 필터부는, 10비트의 상기 LSBs를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 작은 입력을 받는 샘플앤홀드(S/H)의 적용하으로써, 안정적이면서도 작은 노이즈를 갖는 증폭기 구조를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 데시메이션 필터가 LSBs만 출력하도록 함으로써, 칩 면적과 전력 소모를 효과적으로 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 SAR 기반의 증가형 아날로그 디지털 변환기에 대한 구성도이다.
도 2는 도 1의 SAR 기반의 ADC에서 발생하는 커패시터 미스매칭(mismatching)을 해결하기 위한 컬리브레이션(calibration) 동작 1을 보여주는 예시도이다.
도 3은 도 1의 SAR 기반의 ADC에서 발생하는 커패시터 미스매칭(mismatching)을 해결하기 위한 컬리브레이션(calibration) 동작 2를 보여주는 예시도이다.
먼저, 본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 여기에서, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 범주를 명확하게 이해할 수 있도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것이므로, 본 발명의 기술적 범위는 청구항들에 의해 정의되어야 할 것이다.
아울러, 아래의 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성 등에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들인 것으로, 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 그 정의는 본 명세서의 전반에 걸쳐 기술되는 기술사상을 토대로 이루어져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 SAR 기반의 증가형 아날로그 디지털 변환기에 대한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예의 증가형 아날로그 디지털 변환기(100)는 아날로그 디지털 변환부(ADC)(102), 샘플앤홀드부(S/H)(104), 증가형 델타 시그마 ADC부(106), 데시메이션 필터부(108) 및 혼합부(110) 등을 포함할 수 있으며, 각각의 구성들은 수동 소자와 능동 소자의 조합으로 구현된 전자 부품일 수 있다.
아날로그 디지털 변환부(ADC)에서는 8비트 SAR(success approximation register) 로직을 이용하여 입력신호(VIN)로부터 N비트(예컨대, 8비트)의 MSB(most significant bit)s와 SAR 레지듀(residue)를 각각 생성하는 기능을 수행할 수 있으며, 여기에서 생성된 MSBs는 후술하는 혼합부(110)의 입력으로 제공될 수 있고, 생성된 SAR 레지듀는 샘플앤홀드부(104)의 입력으로 제공될 수 있다.
샘플앤홀드부(104)는 아날로그 디지털 변환부(ADC)로부터 전달되는 SAR 레지듀를 입력받아 SAR 레지듀에 대응하는 아날로그 전압을 출력하는 등의 기능을 제공할 수 있는데, 여기에서 생성되는 아날로그 전압은 증가형 델타 시그마 ADC부(106)의 입력으로 제공될 수 있다.
증가형 델타 시그마 ADC부(106)는, 예컨대 10비트 증가형 델타 시그마 변조부로 정의될 수 있는 것으로, 샘플앤홀드부(104)로부터 출력되는 아날로그 전압을 입력받아 1비트 출력을 생성하는 등의 기능을 제공할 수 있는데, 여기에서 생성되는 1비트 출력은 데시메이션 필터(108)의 입력으로 제공될 수 있다.
데시메이션 필터(108)는 증가형 델타 시그마 ADC부(106)로부터 전달되는 1비트 출력을 입력받아 N비트(예컨대, 10비트)의 LSB(least significant bit)s를 생성하는 등의 기능을 제공할 수 있는데, 여기에서 생성되는 LSBs는 혼합부(110)의 입력으로 제공될 수 있다.
혼합부(110)는 아날로그 디지털 변환부(ADC)(102)로부터 제공되는 N비트의 MSBs 입력과 데시메이션 필터(108)로부터 제공되는 N비트의 LSBs 입력을 합하여 최종의 디지털 값(DOUT)을 출력하는 등의 기능을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 증가형 델타 시그마 아날로그 디지털 컨버터에서는 고해상도 성능을 얻기 위해 입력을 샘플링하기 위한 고성능의 샘플앤홀드(S/H)가 있어야 하지만, 본 발명의 경우에는 8비트 SAR 기반의 ADC를 통해 입력 VIN을 받게 되고, SAR 레지듀와 같이 매우 작은 아날로그 전압을 샘플앤홀드(S/H)에서 입력으로 받기 때문에 높은 선형성(linearity)를 얻을 수 있으며, 또한 적은 전력 소모(power consumption)와 적은 칩 면적을 통한 구동이 가능하다.
또한, 샘플앤홀드(S/H)에서는 작은 입력을 받기 때문에 넓은 출력 범위를 가질 필요가 없으며, 이를 통해 매우 안정되고 작은 노이즈를 가지는 증폭기 구조의 사용이 가능하다.
더욱이, 본 실시예에 따른 아날로그 디지털 변환기는 10비트 증가형 델타 시그마 ADC에서 2차 델타 시그마 변조방식을 이용하기 때문에 2차 노이즈 세이핑(Noise Shaping) 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 데시메이션 필터는 10비트에 해당하는 LSBs만 출력하면 되기 때문에 기존의 증가형 델타 시그마 아날로그 디지털 컨버터에서 사용되는 데시메이션 필터에 비해 칩 면적과 전력 소모를 효과적으로 절감할 수 있다.
본 실시예의 증가형 아날로그 디지털 변환기는 샘플앤홀드(S/H)와 10비트 증가형 델타 시그마 ADC가 EN_High를 통해 동작 조절이 가능하기 때문에 저해상도 모드 및 고해상도 모드, 즉 2개의 모드를 지원할 수 있다.
도 2는 도 1의 SAR 기반의 ADC에서 발생하는 커패시터 미스매칭(mismatching)을 해결하기 위한 컬리브레이션(calibration) 동작 1을 보여주는 예시도이다.
도 2를 참조하면, 8bit SAR 기반의 ADC에 사용되는 다양한 사이즈의 커패시터 중 아래 부분의 커패시터 C 사이즈의 미스매칭(mismatching)을 해결하기 위한 첫 번째 동작이다.
하단 부분의 커패시터 사이즈 C 2개를 제외하고 나머지 커패시터에는 디지털 값 '1'에 해당하는 전압 VDD를 인가하고, 남은 C 사이즈의 2개 커패시터(301, 302)에는 각각 디지털 값 '0'과 '1'에 해당하는 전압 'VSS' 와 'VDD'를 인가한다.
그리고, 비교기(310)의 입력은 VDD와 VSS의 중간 값인 'VCM'을 스위치(S1, S2)를 이용해 인가한다. 그리고 나서 S/H), 10비트 증가형 델타 시그마 ADC 및 데시메이션 필터를 이용하여 디지털 값을 출력한다.
도 3은 도 1의 SAR 기반의 ADC에서 발생하는 커패시터 미스매칭(mismatching)을 해결하기 위한 컬리브레이션(calibration) 동작 2를 보여주는 예시도이다.
도 3을 참조하면, 비교기(310)와 연결된 VCM을 연결하는 스위치(S1, S2)와 연결을 끊고, 하단 부분 C 사이즈의 커패시터(301)에는 디지털 값 '1'을 인가하고, 나머지 C 사이즈의 커패시터(302)에는 디지털 값 '0'을 인가한다.
이후, S/H, 10비트 증가형 델타 시그마 ADC 및 데시메이션 필터를 이용하여 디지털 값을 출력한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 얻게 되는 디지털 출력들은 두 개의 C 사이즈의 커패시터(301, 302)가 서로 다른 경우에 서로 다르게 되고, 커패시터 사이즈의 차이가 클수록 두 디지털 출력 값의 차이도 커지게 된다.
도 2와 도 3에서 얻게 되는 두 개의 디지털 출력을 통해 커패시터(301)와 커패시터(302) 중 어느 것이 얼마나 큰지 확인할 수 있고, 이를 통해 입력 VIN을 인가하여 디지털 출력을 얻을 때 보정이 가능하다.
사이즈 2C)에 해당하는 커패시터(303)를 보정하는 경우, 두 개의 C 사이즈의 커패시터(301, 302)를 이용하여 도 2 및 도 3에서의 동작처럼 보정할 수 있으며, 이러한 방법을 통해 모든 커패시터 미스매칭을 최종 출력에서 보정할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 등이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다. 즉, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것으로서, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술되는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
102 : 아날로그 디지털 변환부
104 : 샘플앤홀드부
106 : 증가형 델타 시그마 ADC부
108 : 데시메이션 필터부
110 : 혼합부

Claims (4)

  1. SAR(success approximation register) 로직을 이용하여 입력신호(VIN)로부터 N비트의 MSB(most significant bit)s와 SAR 레지듀(residue)를 생성하는 아날로그 디지털 변환부(ADC)와,
    생성된 상기 SAR 레지듀를 입력받아 상기 SAR 레지듀에 대응하는 아날로그 전압을 출력하는 샘플앤홀드부(S/H)와,
    상기 아날로그 전압을 입력받아 1비트 출력을 생성하는 증가형 델타 시그마 ADC부와,
    생성된 상기 1비트 출력을 입력받아 N비트의 LSB(least significant bit)s를 생성하는 데시메이션 필터부와,
    상기 MSBs와 상기 LSBs를 합하여 최종의 디지털 값을 출력하는 혼합부를 포함하는
    SAR 기반의 증가형 아날로그 디지털 변환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 아날로그 디지털 변환부는,
    8비트의 상기 MSBs를 생성하는
    SAR 기반의 증가형 아날로그 디지털 변환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 증가형 델타 시그마 ADC부는,
    2차 노이즈 세이핑(noise shaping) 효과를 위해 2차 델타 시그마 변조 방식을 이용하는
    SAR 기반의 증가형 아날로그 디지털 변환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 데시메이션 필터부는,
    10비트의 상기 LSBs를 생성하는
    SAR 기반의 증가형 아날로그 디지털 변환기.
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