KR102548508B1 - Successive-Approximation-Register Analog-to-Digital-Converter Using Capacitor Split And Operating Method thereof - Google Patents

Successive-Approximation-Register Analog-to-Digital-Converter Using Capacitor Split And Operating Method thereof Download PDF

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Abstract

커패시터 분리를 이용한 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기 및 이의 동작 방법을 개시한다.
본 개시의 일 측면에 의하면, 아날로그 신호를 디지털 코드로 변환하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기로서, 적어도 하나의 상위 어레이 및 종단 커패시터(terminal capacitor)를 포함하되, 상기 적어도 하나의 상위 어레이는 적어도 하나의 커패시터를 포함하며, 상기 디지털 코드의 적어도 하나의 상위 비트에 각각 대응하도록 구성된 커패시터 어레이(capacitor array); 및 상기 종단 커패시터 또는 상기 디지털 코드의 최하위 비트(LSB: Least Significant Bit)와 상이한 값을 가지는 비트(이하, 대상비트)에 대응하는 상위 어레이의 하단에 인가되는 전압을 변경시켜 보정코드를 결정하고, 상기 보정코드를 이용하여 상기 디지털 코드를 보정한 출력코드를 출력하는 SAR 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기를 제공한다.
A successive approximation register analog-to-digital converter using capacitor isolation and an operating method thereof are disclosed.
According to one aspect of the present disclosure, a successive approximation register analog-to-digital converter for converting an analog signal into a digital code includes at least one upper array and a terminal capacitor, wherein the at least one upper array comprises at least one a capacitor array including capacitors, each configured to correspond to at least one upper bit of the digital code; and determining a correction code by changing a voltage applied to a lower end of an upper array corresponding to a bit (hereinafter referred to as target bit) having a different value from the terminating capacitor or the least significant bit (LSB) of the digital code, It provides a successive approximation register analog-to-digital converter comprising a SAR controller for outputting an output code obtained by correcting the digital code using the correction code.

Figure R1020210062167
Figure R1020210062167

Description

커패시터 분리를 이용한 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기 및 이의 동작 방법{Successive-Approximation-Register Analog-to-Digital-Converter Using Capacitor Split And Operating Method thereof}Successive Approximation Register Analog-to-Digital Converter Using Capacitor Separation and Operation Method thereof

본 개시는 커패시터 분리를 이용한 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to a successive approximation register analog-to-digital converter using capacitor isolation and an operating method thereof.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The information described in this section simply provides background information on the present invention and does not constitute prior art.

아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog to Digital Converter)는 아날로그 형태의 입력 신호를 디지털 형태의 출력 신호로 바꾸는 회로를 의미한다.An analog to digital converter (ADC) refers to a circuit that converts an analog input signal into a digital output signal.

연속 근사 레지스터 ADC(SAR ADC: Successive-Approximation-Register ADC)는 아날로그 입력과 비교할 기준전압을 순차적으로 변화시켜 가면서 아날로그 입력에 최대한 가까운 디지털 출력 값을 찾아가는 형태의 ADC로, 순차 비교형 ADC 또는 연속 근사형 ADC 라고도 부른다.Successive-Approximation-Register ADC (SAR ADC) is an ADC in the form of sequentially changing the reference voltage to be compared with the analog input while finding a digital output value that is as close as possible to the analog input. Also called type ADC.

SAR ADC는 아날로그 입력과 비교할 기준전압을 순차적으로 변화시키기 위해, 디지털-아날로그 변환기(Capacitor Digital-to-Analog-Converter)를 구비하게 되는데, 전하 재분배 원리에 기반하여 아날로그 입력 및 기준전압에 대응하는 비교전압을 형성하는 커패시터 어레이(capacitor array)가 주로 사용되며, 커패시터 DAC라고도 한다.The SAR ADC is equipped with a digital-to-analog converter (Capacitor Digital-to-Analog-Converter) to sequentially change the reference voltage to be compared with the analog input. Based on the charge redistribution principle, the comparison corresponding to the analog input and reference voltage A capacitor array that forms a voltage is mainly used, and is also called a capacitor DAC.

SAR ADC의 해상도를 1 비트 증가시키기 위해서는, 일반적으로, 커패시터 어레이의 커패시턴스가 2 배 커져야 하는데, 커패시턴스가 커짐에 따라 비교전압이 안정화되는데 필요한 정착 시간(settling time)도 증가하게 된다. 이러한 정착 시간이 충분히 보장되지 않는 경우, 비교전압이 안정화되지 않은 상태에서 디지털 출력 값을 결정하게 되므로, 측정오차(measurement error)가 자주 발생하게 되어 고속·고해상도 SAR ADC 구현이 어렵다는 문제점이 있다. In order to increase the resolution of the SAR ADC by 1 bit, generally, the capacitance of the capacitor array must be doubled. As the capacitance increases, the settling time required to stabilize the comparison voltage also increases. If this settling time is not sufficiently guaranteed, since the digital output value is determined in a state where the comparison voltage is not stabilized, measurement errors often occur, making it difficult to implement a high-speed and high-resolution SAR ADC.

본 개시는, 상위 비트에 대응하는 커패시터로부터 분리된 보정 커패시터를 이용하여 측정오차를 보정함으로써 고속·고해상도 구현이 가능한 SAR ADC 및 그 동작방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.The main object of the present disclosure is to provide a SAR ADC capable of realizing high speed and high resolution and an operating method thereof by correcting measurement errors using a correction capacitor separated from a capacitor corresponding to an upper bit.

본 개시의 일 측면에 의하면, 아날로그 신호를 디지털 코드로 변환하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기로서, 적어도 하나의 상위 어레이 및 종단 커패시터(terminal capacitor)를 포함하되, 상기 적어도 하나의 상위 어레이는 적어도 하나의 커패시터를 포함하며, 상기 디지털 코드의 적어도 하나의 상위 비트에 각각 대응하도록 구성된 커패시터 어레이(capacitor array); 및 상기 종단 커패시터 또는 상기 디지털 코드의 최하위 비트(LSB: Least Significant Bit)와 상이한 값을 가지는 비트(이하, 대상비트)에 대응하는 상위 어레이의 하단에 인가되는 전압을 변경시켜 보정코드를 결정하고, 상기 보정코드를 이용하여 상기 디지털 코드를 보정한 출력코드를 출력하는 SAR 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기를 제공한다.According to one aspect of the present disclosure, a successive approximation register analog-to-digital converter for converting an analog signal into a digital code includes at least one upper array and a terminal capacitor, wherein the at least one upper array comprises at least one a capacitor array including capacitors, each configured to correspond to at least one upper bit of the digital code; and determining a correction code by changing a voltage applied to a lower end of an upper array corresponding to a bit (hereinafter referred to as target bit) having a different value from the terminating capacitor or the least significant bit (LSB) of the digital code, It provides a successive approximation register analog-to-digital converter comprising a SAR controller for outputting an output code obtained by correcting the digital code using the correction code.

본 개시의 다른 측면에 의하면, 적어도 하나의 커패시터를 포함하며 디지털 코드의 적어도 하나의 상위 비트에 각각 대응하는 적어도 하나의 상위 어레이 및 종단 커패시터를 포함하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기의 동작방법으로서, 아날로그 신호에 대응하는 디지털 코드를 결정하는 과정; 상기 종단 커패시터 또는 상기 디지털 코드의 최하위 비트(LSB: Least Significant Bit)와 상이한 값을 가지는 비트에 대응하는 상위 어레이의 하단전압을 변경시켜 보정코드를 결정하는 과정; 및 상기 보정코드를 이용하여 상기 디지털 코드를 보정한 출력코드를 출력하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기의 동작방법을 제공한다.According to another aspect of the present disclosure, as a method of operating a successive approximation register analog-to-digital converter including at least one capacitor and including at least one upper array and a terminating capacitor respectively corresponding to at least one upper bit of a digital code, determining a digital code corresponding to the signal; determining a correction code by changing a lower voltage of an upper array corresponding to a bit having a different value from the terminating capacitor or a least significant bit (LSB) of the digital code; and outputting an output code obtained by correcting the digital code using the correction code.

이상에서 설명한 바와 같이 본 개시의 실시예에 의하면, 상위 비트에 대응하는 커패시터로부터 분리된 보정 커패시터를 이용하여 측정오차를 보정함으로써 고속·고해상도 SAR ADC를 구현할 수 있다는 효과가 있다.As described above, according to the embodiment of the present disclosure, there is an effect that a high-speed and high-resolution SAR ADC can be implemented by correcting the measurement error using a correction capacitor separated from the capacitor corresponding to the upper bit.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 SAR ADC를 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 커패시터 어레이의 구조를 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 SAR ADC의 동작을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 개시의 일 실시예에 따른 5 비트 SAR ADC의 동작을 나타내는 신호 흐름도이다.
도 5는 본 개시의 다른 실시예에 따른 커패시터 어레이의 구조를 나타내는 예시도이다.
1 is a configuration diagram showing a SAR ADC according to an embodiment of the present disclosure.
2 is an exemplary view showing the structure of a capacitor array according to an embodiment of the present disclosure.
3 is a flowchart for explaining the operation of a SAR ADC according to an embodiment of the present disclosure.
4a to 4d are signal flow diagrams illustrating the operation of a 5-bit SAR ADC according to an embodiment of the present disclosure.
5 is an exemplary view showing the structure of a capacitor array according to another embodiment of the present disclosure.

이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present disclosure will be described in detail through exemplary drawings. In adding reference numerals to components of each drawing, it should be noted that the same components have the same numerals as much as possible even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing the present disclosure, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present disclosure, the detailed description will be omitted.

또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '…부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Also, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used in describing the components of the present disclosure. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, order, or order of the corresponding component is not limited by the term. Throughout the specification, when a part 'includes' or 'includes' a certain component, it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated. . In addition, the '... Terms such as 'unit' and 'module' refer to a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 SAR ADC를 나타내는 구성도이다.1 is a configuration diagram showing a SAR ADC according to an embodiment of the present disclosure.

도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 SAR ADC(Successive-Approximation-Register Analog-to-Digital-Converter, 10)는 S/H 스위치부(Sample-and-hold switch unit, 100), 제1 및 제2 커패시터 어레이(capacitor array, 110_p 및 110_n), 제1 및 제2 스위치 어레이(switch array, 120_p 및 120_n) 및 제1 및 제2 차지펌프(charge pump, 130_p 및 130_n), 비교기(comparator, 140) 및 SAR 제어부(SAR control unit, 150)를 전부 또는 일부 포함한다. 도 1에 도시된 모든 구성이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시예에서 SAR ADC(10)에 포함된 일부 구성이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 다른 실시예에 따르면, 제1 및 제2 차지펌프(130_p 및 130_n)를 포함하지 않을 수 있다. Referring to FIG. 1, a SAR ADC (Successive-Approximation-Register Analog-to-Digital-Converter, 10) according to an embodiment of the present disclosure includes a S/H switch unit (Sample-and-hold switch unit, 100), First and second capacitor arrays 110_p and 110_n, first and second switch arrays 120_p and 120_n and first and second charge pumps 130_p and 130_n, comparators ( comparator 140) and a SAR control unit 150 in whole or in part. All components shown in FIG. 1 are not essential components, and some components included in the SAR ADC 10 may be added, changed, or deleted in other embodiments. For example, according to another embodiment of the present disclosure, the first and second charge pumps 130_p and 130_n may not be included.

S/H 스위치부(100)는 SAR 제어부(150)의 제어에 대응하여, 제1 입력신호(VINp)와 제2 입력신호(VINn)를 각각 제1 커패시터 어레이(110_p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)에 샘플링(sampling) 및 홀드(hold)시킨다. 샘플링이란 아날로그 입력신호인 제1 입력신호(VINp)와 제2 입력신호(VINn)를 각각 제1 커패시터 어레이(110_p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)에 충전시키는 것을 의미한다. 예를 들어, S/H 스위치부(100)가 온(on)되면, 제1 커패시터 어레이(110_p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 일단에 제1 입력신호(VINp) 및 제2 입력신호(VINn)가 인가된다. 이에 따라, 제1 커패시터 어레이(110_p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)에 각각 제1 입력신호(VINp) 및 제2 입력신호(VINn)에 대응하는 전하가 충전된다. 이후, S/H 스위치부(100)가 오프(off)되면, 제1 커패시터 어레이(110_p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)에 충전된 전하가 유지된다.In response to the control of the SAR control unit 150, the S/H switch unit 100 transmits the first input signal V INp and the second input signal V INn to the first capacitor array 110_p and the second capacitor array, respectively. The array 110_n is sampled and held. Sampling means charging the first and second input signals V INp and V INn , which are analog input signals, in the first capacitor array 110_p and the second capacitor array 110_n, respectively. For example, when the S/H switch unit 100 is turned on, the first input signal V INp and the second input signal are connected to one end of the first capacitor array 110_p and the second capacitor array 110_n. (V INn ) is applied. Accordingly, charges corresponding to the first input signal V INp and the second input signal V INn are charged in the first capacitor array 110_p and the second capacitor array 110_n, respectively. Thereafter, when the S/H switch unit 100 is turned off, the charges charged in the first capacitor array 110_p and the second capacitor array 110_n are maintained.

한편, 도 1에서는, 커패시터의 상단(top plate)으로 제1 입력신호(VINp) 및 제2 입력신호(VINn)가 인가되는 탑 플레이트 샘플링(top plate sampling) 기법이 적용된 예를 도시하고 있으나 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 개시의 다른 실시예에서는 바텀 플레이트 샘플링(bottom plate sampling) 기법이 적용될 수도 있다.Meanwhile, in FIG. 1, an example in which a top plate sampling technique in which the first input signal V INp and the second input signal V INn are applied to the top plate of the capacitor is applied is shown, but The present disclosure is not limited thereto. That is, in another embodiment of the present disclosure, a bottom plate sampling technique may be applied.

도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 커패시터 어레이의 구조를 나타내는 예시도이다.2 is an exemplary view showing the structure of a capacitor array according to an embodiment of the present disclosure.

도 2의 구조는 제1 및 제2 커패시터 어레이(110_p 및 110_n), 제1 및 제2 스위치 어레이(120_p 및 120_n) 및 제1 및 제2 차지펌프(130_p 및 130_n)에 동일하게 적용될 수 있다. 본 개시에서, 식별부호 '_p'는 제1 커패시터 어레이(110_p)와 관련된 구성/신호임을 의미하고, 식별부호 '_n'은 제2 커패시터 어레이(110_n)와 관련된 구성/신호임을 의미한다. 이하, 도 2를 설명함에 있어, 제1 및 제2 커패시터 어레이(110_p 및 110_n)와 관련된 구성/신호들에 공통으로 적용되는 내용에는 식별부호 '_p' 또는 '_n'를 생략한다.The structure of FIG. 2 may be equally applied to the first and second capacitor arrays 110_p and 110_n, the first and second switch arrays 120_p and 120_n, and the first and second charge pumps 130_p and 130_n. In the present disclosure, identification code '_p' means a component/signal related to the first capacitor array 110_p, and identification code '_n' means a component/signal related to the second capacitor array 110_n. Hereinafter, in describing FIG. 2 , the identification code '_p' or '_n' is omitted for contents commonly applied to configurations/signals related to the first and second capacitor arrays 110_p and 110_n.

도 2에 나타나듯이, 본 개시의 일 실시예에 따른 커패시터 어레이(110)는 상위 어레이(200) 및 하위 어레이(250)를 포함하며, 상위 어레이(200) 및 하위 어레이(250)는 각각 복수개의 커패시터들을 포함한다. 상위 어레이(200) 및 하위 어레이(250)에 포함된 커패시터들의 일단(이하, '커패시터 어레이(110)의 상단')은 공통으로 연결되어 비교기(140)의 일단 예컨대, 반전 단자 또는 비반전 단자)에 연결된다. 커패시터 어레이(110)를 구성하는 커패시터의 총 개수는 해상도(resolution) 및 스위칭 기법(switching technique) 등에 따라 결정될 수 있다.As shown in FIG. 2 , the capacitor array 110 according to an embodiment of the present disclosure includes an upper array 200 and a lower array 250, and the upper array 200 and the lower array 250 each include a plurality of Including capacitors. One end of the capacitors included in the upper array 200 and the lower array 250 (hereinafter referred to as 'an upper end of the capacitor array 110') is connected in common to one end of the comparator 140, for example, an inverting terminal or a non-inverting terminal. connected to The total number of capacitors constituting the capacitor array 110 may be determined according to a resolution and a switching technique.

상위 어레이(200)는 N 비트 디지털 출력의 최상위 비트(MSB: Most Significant Bit)에 대응되며, 하위 어레이(250)에 포함된 커패시터(CN-1~C1) 각각은 차상위비트부터 최하위 비트(LSB: Least Significant Bit)까지의 비트 중 하나에 대응된다. 본 개시에서, k(k는 N보다 작은 자연수)번째 비트(Bk)에 대응되는 커패시터(Ck)는, 기결정된 k번째 비트 값에 의해 하단에 인가되는 기준전압이 변경될 수 있는 커패시터를 의미하며, MSB(BN)에 대응하는 커패시터는 상위 어레이(200)에 포함된 커패시터들 전부를 의미한다. The upper array 200 corresponds to the most significant bit (MSB) of the N-bit digital output, and each of the capacitors (C N-1 to C 1 ) included in the lower array 250 is from the next highest bit to the least significant bit ( LSB: corresponds to one of the bits up to Least Significant Bit). In the present disclosure, the capacitor C k corresponding to the k (k is a natural number smaller than N) th bit B k is a capacitor whose reference voltage applied to the lower end can be changed by a predetermined k th bit value. , and the capacitor corresponding to MSB (B N ) means all of the capacitors included in the upper array 200 .

상위 어레이(200)의 커패시턴스 및 하위 어레이(250)에 포함된 커패시터들의 커패시턴스(capacitance)는 대응하는 비트에 의해 정의된다. 단위 커패시턴스(unit capacitance)를 C라 할 때, MSB(BN)에 대응하는 상위 어레이(200)의 커패시턴스는 2N-2C이고, 그 다음 비트(BN - 1)에 대응하는 커패시터(CN - 2)의 커패시턴스는 2N-3C이다. 이러한 순으로 세 번째 비트(B3)에 대응하는 커패시터(C3)의 커패시턴스는 2C가 되고, 두 번째 비트(B2)에 대응하는 커패시터(C2)의 커패시턴스는 C가 된다. 한편, LSB(B1)에 대응하는 커패시터(C1)의 커패시턴스는 두 번째 비트(B2)에 대응하는 커패시터(C2)의 커패시턴스인 C와 같다. 이하에서는, LSB에 대응하는 커패시터(C1)를 종단 커패시터(terminal capacitor)라 한다.The capacitance of the upper array 200 and the capacitance of capacitors included in the lower array 250 are defined by corresponding bits. When the unit capacitance is C, the capacitance of the upper array 200 corresponding to MSB (B N ) is 2 N-2 C, and the capacitor (C corresponding to the next bit (B N - 1 ) The capacitance of N - 2 ) is 2 N - 3 C. In this order, the capacitance of the capacitor C 3 corresponding to the third bit B 3 becomes 2C, and the capacitance of the capacitor C 2 corresponding to the second bit B 2 becomes C. Meanwhile, the capacitance of the capacitor (C 1 ) corresponding to the LSB (B 1 ) is equal to the capacitance C of the capacitor (C 2 ) corresponding to the second bit (B 2 ). Hereinafter, the capacitor C 1 corresponding to the LSB is referred to as a terminal capacitor.

상위 어레이(200)는 MSB(BN)에 대응하는 커패시턴스(예컨대, 2N-2C)를 갖는 커패시터에서 적어도 하나의 보정 커패시터(CcalM~Ccal1)가 분리된 형태를 가진다. 다시 말해, 상위 어레이(200)는 적어도 하나의 보정 커패시터(CcalM~Ccal1) 및 잔여 커패시터(CN_res)를 포함한다. 각 보정 커패시터(CcalM~Ccal1)의 커패시턴스는, 바람직하게는 단위 커패시턴스 C와 동일하나, 이에 한정되는 것은 아니며 적용되는 스위칭 기법 등에 따라 달라질 수 있다. 잔여 커패시터(CN _res)의 커패시턴스는 상위 어레이(200)의 전체 커패시턴스에서 적어도 하나의 보정 커패시터(CcalM~Ccal1)의 커패시턴스를 제한 값으로 정의된다. 다시 말해, SAR ADC(10)의 해상도가 N 비트이고, 상위 어레이(200) 내 보정 커패시터(CcalM~Ccal1)의 개수가 M 개인 경우, 잔여 커패시터(CN_res)의 커패시턴스는 (2N-2-M)C가 된다. The upper array 200 has a form in which at least one correction capacitor (C calM to C cal1 ) is separated from a capacitor having a capacitance (eg, 2 N−2 C) corresponding to MSB (B N ). In other words, the upper array 200 includes at least one correction capacitor (C calM ~C cal1 ) and a residual capacitor (C N_res ). The capacitance of each correction capacitor C calM to C cal1 is preferably the same as the unit capacitance C, but is not limited thereto and may vary depending on the applied switching technique. The capacitance of the residual capacitor (C N _res ) is defined as a value limiting the capacitance of at least one correction capacitor (C calM to C cal1 ) in the total capacitance of the upper array 200 . In other words, when the resolution of the SAR ADC 10 is N bits and the number of correction capacitors C calM to C cal1 in the upper array 200 is M, the capacitance of the remaining capacitor C N_res is (2 N- 2 -M)C becomes.

표 1은 SAR ADC(10)의 해상도가 10 비트이고, 상위 어레이(200) 내 보정 커패시터(CcalM~Ccal1)의 개수가 2개인 경우, 각 커패시턴스의 가중치를 예시한 표이다. Table 1 is a table illustrating the weight of each capacitance when the resolution of the SAR ADC 10 is 10 bits and the number of correction capacitors C calM to C cal1 in the upper array 200 is two.

BitBit B10 B10 B9 B9 B8 B8 B7 B7 B6 B6 B5 B 5 B4 B4 B3 B3 B2 B2 B1 B1 CapCap Ccal2 C cal2 Ccal1 C cal1 C10_res C 10_res C9 C 9 C8 C 8 C7 C 7 C6 C6 C5 C 5 C4 C 4 C3 C 3 C2 C 2 C1 C 1 WeightWeight 20=12 0 =1 20=12 0 =1 28-2=2542 8 -2=254 27=1282 7 =128 26=642 6 =64 25=322 5 =32 24=162 4 =16 23=82 3 =8 22=42 2 =4 21=22 1 =2 20=12 0 =1 20=12 0 =1

한편, 커패시터 어레이(110)의 총 커패시턴스 및/또는 각 커패시턴스의 가중치는 구현예에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 2에서는 커패시터 어레이(110)가 이진 가중치(binary weight)를 가지는 것으로 도시하고 있으나, 실시예에 따라 커패시터 어레이(110)는 비이진 가중치(non-binary weight)를 가질 수도 있다.Meanwhile, the total capacitance of the capacitor array 110 and/or the weight of each capacitance may vary depending on implementation. For example, although the capacitor array 110 is illustrated as having a binary weight in FIG. 2 , the capacitor array 110 may have a non-binary weight according to embodiments.

스위치 어레이(120)는 복수개의 스위치를 포함한다. 복수개의 스위치의 일단은 각각 종단 커패시터(C1)를 제외한 나머지 커패시터들의 하단에 연결된다. 복수개의 스위치의 타단은 SAR 제어부(150)의 제어에 대응하여, 제1 기준전압(VREF) 또는 제2 기준전압(GND)에 연결될 수 있다. 본 개시에서, k 번째 비트(Bk)에 대응하는 커패시터의 하단에 연결된 스위치를 k 번째 비트(Bk)에 대응하는 스위치라고 한다. MSB(BN)에 대응하는 스위치는, 상위 어레이(200)에 포함된 커패시터들의 하단에 연결된 스위치(ScalM~Scal1 및 SN_res) 전부를 의미할 수 있다. 본 개시에서, 보정 스위치는, MSB(BN)에 대응하는 스위치 중 보정 커패시터(CcalM~Ccal1)의 하단에 연결된 스위치(ScalM~Scal1)를 의미할 수 있다.The switch array 120 includes a plurality of switches. One end of each of the plurality of switches is connected to the lower ends of the remaining capacitors except for the terminating capacitor C 1 . The other ends of the plurality of switches correspond to the control of the SAR controller 150, and may be connected to the first reference voltage V REF or the second reference voltage GND. In the present disclosure, a switch connected to the lower end of the capacitor corresponding to the k-th bit (B k ) is referred to as a switch corresponding to the k-th bit (B k ). A switch corresponding to MSB(B N ) may mean all of the switches S calM to S cal1 and S N_res connected to lower ends of the capacitors included in the upper array 200 . In the present disclosure, the correction switch may refer to a switch (S calM ˜S cal1 ) connected to a lower end of a correction capacitor (C calM ˜C cal1 ) among switches corresponding to MSB (B N ).

차지펌프(130)는 종단 커패시터(C1)의 하단에 연결된다. 차지펌프(130)는 SAR 제어부(150)의 제어에 대응하여, 종단 커패시터(C1)의 하단전압(VCP)을 상승시킨다. 바람직하게는, 차지펌프(130)는 보정 커패시터(CcalM~Ccal1)의 개수에 대응하는 레벨만큼 종단 커패시터(C1)의 하단전압(VCP)을 상승시킬 수 있다. 예컨대, M이 2인 경우, 차지펌프(130)는 종단 커패시터(C1)의 하단전압(VCP)을 제1 기준전압(VREF) 또는 제1 기준전압의 2배(2*VREF)로 상승시킬 수 있다. 한편, 차지펌프(130)의 구성 및 동작은 해당 분야에서 일반적인 바, 구체적인 설명은 생략하도록 한다.The charge pump 130 is connected to the lower end of the terminating capacitor C 1 . The charge pump 130 responds to the control of the SAR controller 150 and increases the lower voltage (V CP ) of the terminating capacitor C 1 . Preferably, the charge pump 130 may increase the lower voltage V CP of the terminating capacitor C 1 by a level corresponding to the number of correction capacitors C calM to C cal1 . For example, when M is 2, the charge pump 130 converts the lower end voltage (V CP ) of the terminating capacitor (C 1 ) to the first reference voltage (V REF ) or twice the first reference voltage (2*V REF ). can be raised to Meanwhile, since the configuration and operation of the charge pump 130 are common in the field, a detailed description thereof will be omitted.

다시 도 1을 참조하면, 비교기(140)는 제1 입력단(+), 제2 입력단(-) 및 출력단을 가지며, 제1 입력단과 제2 입력단은 제1 커패시터 어레이(110_p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단과 각각 연결된다. 비교기(140)는 제1 입력단의 전압 및 제2 입력단의 전압, 즉, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop_n)을 비교한 결과를 SAR 제어부(150)로 출력한다.Referring back to FIG. 1 , the comparator 140 has a first input terminal (+), a second input terminal (-), and an output terminal, and the first input terminal and the second input terminal are a first capacitor array 110_p and a second capacitor array. (110_n) is connected to the top of each. The comparator 140 calculates the voltage of the first input terminal and the voltage of the second input terminal, that is, the upper voltage V Ctop _p of the first capacitor array 110_p and the upper voltage V Ctop_n of the second capacitor array 110_n. The comparison result is output to the SAR controller 150.

SAR 제어부(150)는 비교기(140)의 출력을 기초로, N 비트의 디지털 코드 <BN:B1>를 결정한다. SAR 제어부(150)는 k번째 비트(Bk)의 값을 기초로 해당 비트에 대응하는 스위치를 제어한다. 이에 따라, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop_p) 및/또는 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop_n)이 변경되고, SAR 제어부(150)는 비교기(140)의 다음 출력을 이용하여 다음 비트(Bk - 1)를 결정한다. Based on the output of the comparator 140, the SAR controller 150 determines an N-bit digital code <B N :B 1 >. The SAR controller 150 controls the switch corresponding to the corresponding bit based on the value of the k-th bit (B k ). Accordingly, the upper voltage V Ctop_p of the first capacitor array 110_p and/or the upper voltage V Ctop_n of the second capacitor array 110_n are changed, and the SAR controller 150 controls the comparator 140 to The output is used to determine the next bit (B k - 1 ).

SAR 제어부(150)는 아날로그 입력신호(VINp 및 VINn)와 디지털 코드 <BN:B1> 간의 측정오차를 보정하기 위한 보정코드 <BcalT:Bcal1>를 결정한다. 보정 코드의 비트 수 T는 상위 어레이(200) 내의 보정 커패시터(CcalM~Ccal1)의 수 및/또는 차지펌프(130)가 상승시킬 수 있는 전압레벨 수에 의해 정의될 수 있다. 예를 들어, 상위 어레이(200) 내의 보정 커패시터(CcalM~Ccal1)의 수를 M이라 할 때, 보정 코드의 비트 수 T는 수학식 1과 같이 구해질 수 있다. The SAR controller 150 determines a correction code <B calT :B cal1 > for correcting a measurement error between the analog input signals V INp and V INn and the digital code <B N :B 1 >. The number of bits T of the correction code may be defined by the number of correction capacitors C calM to C cal1 in the upper array 200 and/or the number of voltage levels that the charge pump 130 can raise. For example, when the number of correction capacitors C calM to C cal1 in the upper array 200 is M, the number of bits T of the correction code can be obtained as in Equation 1.

Figure 112021055583395-pat00001
Figure 112021055583395-pat00001

표 2는 2개의 보정 커패시터(Ccal2 및 Ccal1)가 포함된 상위 어레이(200)와 전압을 제1 기준전압(VREF) 또는 제1 기준전압의 2배(2*VREF)까지 상승시킬 수 있는 차지펌프(130)를 이용하여 ±2 LSB의 오차를 보정하는 방법을 예시한 표이다. 표 2에서, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p)은 실선으로 나타내었고, 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop_n)은 점선으로 나타내었다.Table 2 shows the upper array 200 including two correction capacitors (C cal2 and C cal1 ) and the voltage to be raised to the first reference voltage (V REF ) or twice the first reference voltage (2*V REF ). This table illustrates a method of correcting an error of ±2 LSB using the charge pump 130 that can be used. In Table 2, the top voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p is indicated by a solid line, and the top voltage (V Ctop_n ) of the second capacitor array 110_n is indicated by a dotted line.

MSBMSB LSBLSB 제어control 동작 파형(VOperating Waveform (V Ctop_pCtop_p , V, V Ctop_nCtop_n )) 00 00 제2 차지펌프2nd charge pump

Figure 112021055583395-pat00002
Figure 112021055583395-pat00002
00 1One Scal1 _n
및/또는
Scal2 _n
S cal1_n
and/or
S cal2_n
Figure 112021055583395-pat00003
Figure 112021055583395-pat00003
1One 00 Scal1 _p
및/또는
Scal2 _p
S cal1 _p
and/or
S cal2_p
Figure 112021055583395-pat00004
Figure 112021055583395-pat00004
1One 1One 제1 차지펌프1st charge pump
Figure 112021055583395-pat00005
Figure 112021055583395-pat00005
판단judgment No errorNo error 2 LSB 미만 Less than 2 LSB 2 LSB 이상2 LSBs or higher 보정코드correction code <00><00> <01><01> <10><10>

본 개시의 일 실시예에 따른 SAR 제어부(150)는 LSB(B1)를 결정한 이후 추가로 2 클록(clock)을 사용하여 보정코드 <Bcal2:Bcal1>를 결정할 수 있다. SAR 제어부(150)는 MSB(BN) 및 LSB(B1)의 조합에 따라, 제1 차지펌프(130_p), 제2 차지펌프(130_n), 제1 스위치 어레이(120_p)의 보정 스위치(ScalM _p~Scal1 _p, 이하, '제1 보정 스위치') 및 제2 스위치 어레이(120_n)의 보정 스위치(ScalM _n~Scal1 _n, 이하, '제2 보정 스위치') 중 적어도 하나를 제어하여 보정코드 <Bcal2:Bcal1>를 결정할 수 있다. After determining the LSB(B 1 ), the SAR controller 150 according to an embodiment of the present disclosure may additionally determine the correction code <B cal2 :B cal1 > by using 2 clocks. The SAR control unit 150 adjusts the compensation switch S of the first charge pump 130_p, the second charge pump 130_n, and the first switch array 120_p according to the combination of the MSB (B N ) and the LSB (B 1 ). Controls at least one of calM _p to S cal1 _p , hereinafter, 'first correction switch') and correction switch (S calM _n to S cal1 _n , hereinafter, 'second correction switch') of the second switch array 120_n Thus, the correction code <B cal2 :B cal1 > can be determined.

1) MSB(BN)와 LSB(B1)가 같은 경우1) When MSB (B N ) and LSB (B 1 ) are the same

SAR 제어부(150)는 제1 차지펌프(130_p) 또는 제2 차지펌프(130_n)를 제어하여 제1 커패시터 어레이(110_p)의 종단 커패시터(C1, 이하 제1 종단 커패시터) 또는 제2 커패시터 어레이(110_n)의 종단 커패시터(C2, 이하 제2 종단 커패시터)의 하단전압(VCP _p 또는 VCP _n)을 제1 기준전압(VREF)으로 상승시킨다. 이에 따라 제1 커패시터 어레이(110_p) 또는 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _p 또는 VCtop _n)이, 1 LSB에 대응하는 전압(VLSB, 예컨대, 1/2N -1*VREF)만큼 증가하게 된다. 이러한 전압 증가에 의해, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 서로 교차(cross)하게 되면, SAR 제어부(150)는 디지털 코드 <BN:B1>에 오차가 없는 것으로 판단하고, 보정코드 <Bcal2:Bcal1>을 <00>으로 결정한다. SAR 제어부(150)는 LSB(B1) 결정에 사용된 비교기(140) 출력과 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 또는 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)을 변경시킨 이후의 비교기(140) 출력이 상이한 경우, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 서로 교차한 것으로 판단할 수 있다.The SAR controller 150 controls the first charge pump 130_p or the second charge pump 130_n to control the terminating capacitor C 1 of the first capacitor array 110_p (hereinafter referred to as the first terminating capacitor) or the second capacitor array ( The lower end voltage (V CP _p or V CP _n ) of the terminating capacitor (C 2 , hereinafter referred to as the second terminating capacitor) of the 110_n is raised to the first reference voltage (V REF ). Accordingly, the top voltage (V Ctop _p or V Ctop _n ) of the first capacitor array 110_p or the second capacitor array 110_n is a voltage (V LSB , for example, 1/2 N -1 * corresponding to 1 LSB). V REF ). When the upper voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p and the upper voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n cross each other by this voltage increase, the SAR controller 150 ) determines that there is no error in the digital code <B N :B 1 >, and determines the correction code <B cal2 :B cal1 > as <00>. The SAR controller 150 determines the output of the comparator 140 used to determine the LSB (B 1 ) and the top voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p or the top voltage (V Ctop ) of the second capacitor array 110_n When the outputs of the comparator 140 after changing _n ) are different, the upper voltage V Ctop _p of the first capacitor array 110_p and the upper voltage V Ctop _n of the second capacitor array 110_n cross each other can be judged to have been

제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 서로 교차하지 않으면, SAR 제어부(150)는 제1 차지펌프(130_p) 또는 제2 차지펌프(130_n)를 제어하여 제1 종단 커패시터(C1_p) 또는 제2 종단 커패시터(C1_n)의 하단전압(VCP _p 또는 VCP _n)을 제1 기준전압의 2배(2*VREF)로 상승시킨다. 이에 따라 제1 커패시터 어레이(110_p) 또는 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _p 또는 VCtop _n)은, VLSB만큼 더 증가하게 된다. 이러한 전압 증가에 의해, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 서로 교차하게 되면, SAR 제어부(150)는 디지털 코드 <BN:B1>에 2 LSB 미만의 오차가 존재하는 것으로 판단하고, 보정코드 <Bcal2:Bcal1>을 <01>으로 결정한다.When the top voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p and the top voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n do not cross each other, the SAR controller 150 generates the first charge pump 130_p Alternatively, by controlling the second charge pump 130_n, the lower voltage (V CP _p or V CP _n ) of the first terminating capacitor (C 1_p ) or the second terminating capacitor (C 1_n ) is twice the first reference voltage (2 *V REF ). Accordingly, the top voltage (V Ctop _p or V Ctop _n ) of the first capacitor array 110_p or the second capacitor array 110_n is further increased by VLSB. When the upper voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p and the upper voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n cross each other due to this voltage increase, the SAR controller 150 converts the digital It is determined that an error of less than 2 LSB exists in the code <B N :B 1 >, and the correction code <B cal2 :B cal1 > is determined to be <01>.

반면, 제1 커패시터 어레이(110_p) 또는 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _p 또는 VCtop_n)을 총 2*VLSB만큼 증가시켰음에도 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 서로 교차하지 않았으면, SAR 제어부(150)는 디지털 코드 <BN:B1>에 2 LSB 이상의 오차가 존재하는 것으로 판단하고, 보정코드<Bcal2:Bcal1>을 <10>으로 결정한다.On the other hand, even though the top voltage (V Ctop_p or V Ctop_n ) of the first capacitor array 110_p or the second capacitor array 110_n is increased by a total of 2*VLSB, the top voltage (V Ctop ) of the first capacitor array 110_p _p ) and the top voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n do not cross each other, the SAR controller 150 determines that an error of 2 LSB or more exists in the digital code <B N : B 1 > and the correction code <B cal2 :B cal1 > is determined as <10>.

2) MSB(BN)와 LSB(B1)가 다른 경우2) When MSB (B N ) and LSB (B 1 ) are different

SAR 제어부(150)는 제1-1 보정 스위치(Scal1 _p) 또는 제2-1 보정 스위치(Scal1 _n)를 제어하여, 제1-1 보정 커패시터(Ccal1 _p) 또는 제2-1 보정 커패시터(Ccal1 _n)의 하단전압을 제1 기준전압(VREF)에서 제2 기준전압(GND)으로 변경시킨다. 이에 따라 제1 커패시터 어레이(110_p) 또는 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _p 또는 VCtop_n)이, VLSB만큼 감소하게 된다. 이러한 전압 감소에 의해, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 서로 교차(cross)하게 되면, SAR 제어부(150)는 디지털 코드 <BN:B1>에 오차가 없는 것으로 판단하고, 보정코드 <Bcal2:Bcal1>을 <00>으로 결정한다. The SAR controller 150 controls the 1-1 correction switch (S cal1 _p ) or the 2-1 correction switch (S cal1 _n ), so that the 1-1 correction capacitor (C cal1 _p ) or the 2-1 correction switch The lower voltage of the capacitor C cal1 _n is changed from the first reference voltage V REF to the second reference voltage GND. Accordingly, the top voltage (V Ctop _p or V Ctop_n ) of the first capacitor array 110_p or the second capacitor array 110_n is reduced by V LSB . Due to this voltage reduction, when the top voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p and the top voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n cross each other, the SAR controller 150 ) determines that there is no error in the digital code <B N :B 1 >, and determines the correction code <B cal2 :B cal1 > as <00>.

제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop_n)이 서로 교차하지 않으면, SAR 제어부(150)는 제1-2 보정 스위치(Scal2 _p) 또는 제2-2 보정 스위치(Scal2 _n)를 제어하여, 제1-2 보정 커패시터(Ccal2_p) 또는 제2-2 보정 커패시터(Ccal2 _n)의 하단전압을 제1 기준전압(VREF)에서 제2 기준전압(GND)으로 변경시킨다. 이에 따라 제1 커패시터 어레이(110_p) 또는 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _p 또는 VCtop _n)은, VLSB만큼 더 감소하게 된다. 이러한 전압 감소에 의해, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 서로 교차하게 되면, SAR 제어부(150)는 디지털 코드 <BN:B1>에 2 LSB 미만의 오차가 존재하는 것으로 판단하고, 보정코드 <Bcal2:Bcal1>을 <01>으로 결정한다.If the top voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p and the top voltage (V Ctop_n ) of the second capacitor array 110_n do not cross each other, the SAR control unit 150 controls the 1-2 correction switch (S cal2 _p ) or the 2-2 correction switch (S cal2 _n ) is controlled to set the lower voltage of the 1-2 correction capacitor (C cal2_p ) or the 2-2 correction capacitor (C cal2 _n ) to the first reference voltage ( V REF ) to the second reference voltage (GND). Accordingly, the top voltage (V Ctop _p or V Ctop _n ) of the first capacitor array 110_p or the second capacitor array 110_n is further reduced by VLSB. Due to this voltage decrease, when the top voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p and the top voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n cross each other, the SAR controller 150 converts the digital It is determined that an error of less than 2 LSB exists in the code <B N :B 1 >, and the correction code <B cal2 :B cal1 > is determined to be <01>.

반면, 제1 커패시터 어레이(110_p) 또는 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _p 또는 VCtop_n)을 총 2*VLSB만큼 감소시켰음에도 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 서로 교차하지 않았으면, SAR 제어부(150)는 디지털 코드 <BN:B1>에 2 LSB 이상의 오차가 존재하는 것으로 판단하고, 보정코드 <Bcal2:Bcal1>을 <10>으로 결정한다.On the other hand, even though the top voltage (V Ctop_p or V Ctop_n ) of the first capacitor array 110_p or the second capacitor array 110_n is reduced by a total of 2*VLSB, the top voltage (V Ctop ) of the first capacitor array 110_p _p ) and the top voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n do not cross each other, the SAR controller 150 determines that an error of 2 LSB or more exists in the digital code <B N : B 1 > and the correction code <B cal2 :B cal1 > is determined as <10>.

SAR 제어부(150)는 디지털 코드 <BN:B1> 및 보정코드 <BcalT:Bcal1>를 기초로, 오차가 보정된 최종 출력코드 <DN:D1>를 출력한다. SAR 제어부(150)는 디지털 코드 <BN:B1>에서 보정코드 <BcalT:Bcal1>를 더하거나 빼 최종 출력코드 <DN:D1>를 구할 수 있다. 예를 들어, SAR ADC(10)의 해상도가 10 비트이고, 상위 어레이(200) 내 보정 커패시터(CcalM~Ccal1)의 개수가 2개인 경우, 최종 출력코드 <DN:D1>는 수학식 2와 같이 구해질 수 있다. The SAR control unit 150 outputs a final output code <D N :D 1 > with an error corrected based on the digital code < B N :B 1 > and the correction code < B calT :B cal1 >. The SAR control unit 150 may add or subtract the correction code <B calT :B cal1 > from the digital code <B N :B 1 > to obtain the final output code <D N :D 1 >. For example, if the resolution of the SAR ADC 10 is 10 bits and the number of correction capacitors (C calM ~C cal1 ) in the upper array 200 is 2, the final output code <D N :D 1 > is It can be obtained as in Equation 2.

Figure 112021055583395-pat00006
Figure 112021055583395-pat00006

본 개시의 일 실시예에 따른 SAR 제어부(150)는 LSB(B1)에 기초하여 최종 출력코드 <DN:D1>를 얻기 위한 연산방법을 결정할 수 있다. 예를 들어, SAR 제어부(150)는 LSB(B1)가 '0'이면, 디지털 코드 <BN:B1>에서 보정코드 <BcalT:Bcal1>를 빼고, LSB(B1)가 '1'이면, 디지털 코드 <BN:B1>에서 보정코드 <BcalT:Bcal1>를 더하여 최종 출력코드를 구할 수 있다.The SAR controller 150 according to an embodiment of the present disclosure may determine an operation method for obtaining the final output code <D N :D 1 > based on LSB(B 1 ). For example, if the LSB(B 1 ) is '0', the SAR controller 150 subtracts the correction code <B calT :B cal1 > from the digital code <B N :B 1 >, and the LSB(B 1 ) is '0'. 1', the final output code can be obtained by adding the correction code <B calT :B cal1 > to the digital code <B N :B 1 >.

이하, 도 3 내지 도 4d를 참조하여 본 개시의 일 실시예에 따른 SAR ADC의 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, the operation of the SAR ADC according to an embodiment of the present disclosure will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 4D.

도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 SAR ADC의 동작을 설명하기 위한 순서도이다. 3 is a flowchart for explaining the operation of a SAR ADC according to an embodiment of the present disclosure.

도 4a 내지 도 4d는 본 개시의 일 실시예에 따른 5 비트 SAR ADC의 동작을 나타내는 신호 흐름도이다. 4a to 4d are signal flow diagrams illustrating the operation of a 5-bit SAR ADC according to an embodiment of the present disclosure.

도 4a는 MSB(B5) 및 LSB(B1)가 각각 0, 0인 경우로, 차상위비트(B4) 결정 후 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 안정화되기 전에 다음 비트(B3)를 결정하여 발생한 측정오차를 보정하는 과정을 나타낸다. 4A shows a case where the MSB (B 5 ) and the LSB (B 1 ) are 0 and 0, respectively, after determining the next-order bit (B 4 ) and before the voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n is stabilized. It shows the process of correcting the measurement error caused by determining the next bit (B 3 ).

도 4b는 MSB(B5) 및 LSB(B1)가 각각 0, 1인 경우로, MSB(B5) 결정 후 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p)이 안정화되기 전에 다음 비트(B4)를 결정하여 발생한 측정오차를 보정하는 과정을 나타낸다. 4B is a case where the MSB ( B 5 ) and the LSB (B 1 ) are 0 and 1, respectively. It shows the process of correcting the measurement error caused by determining the bit (B 4 ).

도 4c는 MSB(B5) 및 LSB(B1)가 각각 1, 0인 경우로, MSB(B5) 결정 후 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 안정화되기 전에 다음 비트(B4)를 결정하여 발생한 측정오차를 보정하는 과정을 나타낸다. 4C is a case where the MSB (B 5 ) and LSB (B 1 ) are 1 and 0, respectively, after determining the MSB (B 5 ) and before the upper voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n is stabilized, the following It shows the process of correcting the measurement error caused by determining the bit (B 4 ).

도 4d는 MSB(B5) 및 LSB(B1)가 각각 1, 1인 경우로, 차상위비트(B4) 결정 후 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p)이 안정화되기 전에 다음 비트(B3)를 결정하여 발생한 측정오차를 보정하는 과정을 나타낸다. FIG. 4D shows a case in which the MSB (B 5 ) and the LSB (B 1 ) are 1 and 1, respectively, after determining the next-order bit (B 4 ) and before the voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p is stabilized. It shows the process of correcting the measurement error caused by determining the next bit (B 3 ).

먼저, S/H 스위치부(100)는 SAR 제어부(150)의 제어에 대응하여, 턴온/오프(trun on/off)되어 제1 입력신호(VINp)와 제2 입력신호(VINn)를 각각 제1 커패시터 어레이(110_p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)에 샘플링 및 홀드시킨다(S300). 본 개시의 일 실시예에 따르면, 샘플링이 수행되는 동안, 제1 및 제2 커패시터 어레이(110_p 및 110_n)의 하단은 제1 기준전압(VREF) 또는 제2 기준전압(GND)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 종단 커패시터(C1)를 제외한 모든 커패시터의 하단은 제1 기준전압(VREPF)에 연결되고 종단 커패시터의 하단은 제2 기준전압(GND)에 연결될 수 있으나 이러한 예시에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 개시의 다른 실시예에 따르면, 샘플링이 수행되는 동안, 모든 커패시터의 하단에 제1 기준전압(VREF)이 연결될 수 있다.First, the S/H switch unit 100 is turned on/off in response to the control of the SAR controller 150 to generate the first input signal V INp and the second input signal V INn . Sampling and holding are performed on the first capacitor array 110_p and the second capacitor array 110_n, respectively (S300). According to an embodiment of the present disclosure, while sampling is performed, lower ends of the first and second capacitor arrays 110_p and 110_n may be connected to the first reference voltage VREF or the second reference voltage GND. For example, the lower end of all capacitors except for the terminating capacitor C 1 may be connected to the first reference voltage VREPF and the lower end of the terminating capacitor may be connected to the second reference voltage GND, but is not limited to this example. . For example, according to another embodiment of the present disclosure, while sampling is performed, the first reference voltage V REF may be connected to lower ends of all capacitors.

SAR 제어부(150)는 연속 근사 기법(successive approximation technique)을 이용하여 N 비트의 디지털 코드 <BN:B1>을 결정한다(S310).The SAR controller 150 determines an N-bit digital code <B N :B 1 > using a successive approximation technique (S310).

예를 들어, 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 비교기(140)는 샘플링이 끝난 후, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)을 비교한다. SAR 제어부(150)는 비교 결과를 입력받아, 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p)보다 크면, MSB(BN)를 '1'로 결정하고, 작으면 '0'으로 결정한다. For example, referring to FIGS. 4A to 4D , after sampling is finished, the comparator 140 determines the top voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p and the top voltage (V Ctop _p ) of the second capacitor array 110_n. V Ctop _n ). The SAR controller 150 receives the comparison result, and when the top voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n is greater than the top voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p, MSB (B N ) is determined as '1', and if it is small, it is determined as '0'.

SAR 제어부(150)는 MSB(BN)에 대응하는 스위치(ScalM~Scal1 및 SN) 중 상단전압이 높다고 판단된 커패시터 어레이와 연결된 스위치를 제어한다. 예를 들어, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p)이 높다고 판단된 경우, 즉 MSB(BN)가 0으로 결정된 경우, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 하단에 연결된 스위치(ScalM _p~Scal1 _p 및 SN_p)가 제2 기준전압(GND)에 연결되도록 제어한다. 이에 따라, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p)이 1/2*VREF만큼 감소하게 된다(도 4a 및 도 4b의 ①). 반대로, 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 높다고 판단된 경우, 즉 MSB(BN)가 1로 결정된 경우에는, 제2 커패시터 어레이(110_n)의 하단에 연결된 스위치(ScalM_n~Scal1 및 SN_n)가 제2 기준전압(GND)에 연결되도록 제어한다. 이에 따라, 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)이 1/2*VREF만큼 감소하게 된다(도 4c 및 도 4d의 ①).The SAR controller 150 controls a switch connected to a capacitor array determined to have a high upper voltage among switches S calM to S cal1 and S N corresponding to MSB (B N ). For example, when it is determined that the upper voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p is high, that is, when MSB (B N ) is determined to be 0, a switch connected to the lower end of the first capacitor array 110_p ( S calM _p to S cal1 _p and S N_p ) are controlled to be connected to the second reference voltage (GND). Accordingly, the top voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p is reduced by 1/2*VREF (① in FIGS. 4A and 4B). Conversely, when it is determined that the upper voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n is high, that is, when the MSB (B N ) is determined to be 1, the switch S connected to the lower end of the second capacitor array 110_n calM_n to S cal1 and S N_n ) are controlled to be connected to the second reference voltage (GND). Accordingly, the top voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n is reduced by 1/2*VREF (① in FIGS. 4C and 4D).

동일한 방식으로, SAR 제어부(150)는 비교기(140)의 비교결과를 입력받아 k 번째 비트(Bk , k는 N보다 작고 1보다 큰 자연수)의 값을 결정하고, 해당 비트에 대응하는 스위치(Sk _p 및 Sk _n) 중 상단전압이 높다고 판단된 커패시터 어레이(110)와 연결된 스위치를 제어하여(도 4a 내지 도 4d의 ②,③ 및 ④) 다음 비트(Bk - 1)의 값을 결정한다.In the same way, the SAR control unit 150 receives the comparison result of the comparator 140, determines the value of the k-th bit (B k , where k is a natural number smaller than N and larger than 1), and switches corresponding to the bit ( The value of the next bit ( B k - 1 ) is controlled by controlling the switch connected to the capacitor array 110 of which the upper end voltage is determined to be high among S k _p and S k _n (②, ③ and ④ in FIGS. 4A to 4D ) Decide.

다음으로, SAR 제어부(150)는 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 및 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n) 중 하나가 1 LSB에 대응하는 전압 크기(VLSB, 예컨대, 1/2N -1*VREF) 만큼 변경되도록 제어한다(S320). 예를 들어, LSB(B1) 결정 시에 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop_p)이 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop_n)보다 높다고 판단되었던 경우, 즉 LSB(B1)가 0으로 결정된 경우, 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop_n)을 VLSB만큼 높이거나(도 4a의 ⑤), 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p)을 VLSB만큼 낮출 수 있다(도 4c의 ⑤). 반대로, LSB(B1) 결정시에 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop_n)이 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop_p)보다 높다고 판단되었던 경우에는, LSB(B1)가 1로 결정된 경우, 제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop_p)을 VLSB만큼 높이거나(도 4d의 ⑤), 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)을 VLSB 만큼 낮출 수 있다(도 4b의 ⑤).Next, the SAR controller 150 determines that one of the top voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p and the top voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n is a voltage size corresponding to 1 LSB. (V LSB , eg, 1/2 N -1 *VREF) (S320). For example, when it is determined that the top voltage (V Ctop_p ) of the first capacitor array 110_p is higher than the top voltage (V Ctop_n ) of the second capacitor array 110_n when the LSB (B 1 ) is determined, that is, the LSB ( When B 1 ) is determined to be 0, the upper voltage (V Ctop_n ) of the second capacitor array 110_n is increased by VLSB (⑤ in FIG. 4A ), or the upper voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p can be lowered by VLSB (⑤ in FIG. 4C). Conversely, when it is determined that the top voltage (V Ctop_n ) of the second capacitor array 110_n is higher than the top voltage (V Ctop_p ) of the first capacitor array 110_p at the time of determining the LSB (B 1 ), LSB (B 1 ) When is determined to be 1, the top voltage (V Ctop_p ) of the first capacitor array 110_p is increased by VLSB (⑤ in FIG. 4D), or the top voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n is set to V LSB It can be lowered as much as (⑤ in FIG. 4B).

SAR 제어부(150)는 제1 및 제2 커패시터 어레이(110_p 및 110_n)의 상단전압(VCtop_p 및 VCtop_n)이 서로 교차하였는지 판단한다(S330). 예를 들어, SAR 제어부(150) 단계 S320 전/후의 비교기(140)의 출력을 비교하여, 비교기(140)의 출력이 달라졌으면, 제1 및 제2 커패시터 어레이(110_p 및 110_n)의 상단전압(VCtop _p 및 VCtop _n)이 교차된 것으로 판단할 수 있다. The SAR controller 150 determines whether the top voltages V Ctop_p and V Ctop_n of the first and second capacitor arrays 110_p and 110_n cross each other (S330). For example, by comparing the output of the comparator 140 before and after step S320 of the SAR controller 150, and the output of the comparator 140 is different, the upper end voltage of the first and second capacitor arrays 110_p and 110_n ( It can be determined that V Ctop _p and V Ctop _n ) intersect.

제1 및 제2 커패시터 어레이(110_p 및 110_n)의 상단전압(VCtop _p 및 VCtop _n)이 교차하지 않았다고 판단된 경우, SAR 제어부(150)는 단계 S320를 재수행한다(도 4a 내지 도 4d의 ⑥). 상위 어레이(200) 및/또는 차지펌프(130)가 커패시터 어레이(110)의 상단전압(VCtop)을 총 M * VLSB만큼 변경시킬 수 있도록 설계된 경우, SAR 제어부(150)는 단계 S320를 최대 M번 수행할 수 있다(S312, S332 및 S334).When it is determined that the top voltages (V Ctop _p and V Ctop _n ) of the first and second capacitor arrays 110_p and 110_n do not cross, the SAR controller 150 re-performs step S320 (see FIGS. 4A to 4D). ⑥). When the upper array 200 and/or the charge pump 130 are designed to change the upper voltage (V Ctop ) of the capacitor array 110 by a total of M * VLSB, the SAR control unit 150 sets step S320 up to M It can be performed once (S312, S332 and S334).

제1 및 제2 커패시터 어레이(110_p 및 110_n)의 상단전압(VCtop _p 및 VCtop _n)이 교차하였다고 판단된 경우, SAR 제어부(150)는 단계 S320을 수행한 횟수에 기초하여 보정코드 <BcalT:Bcal1>를 결정한다(S340). 단계 S320을 j번 수행한 경우, 보정코드 <BcalT:Bcal1>는 (j-1) 을 이진수로 표현한 값일 수 있다. 예를 들어, M이 2인 경우, 단계 S320을 j를 1번 수행하였으면 보정코드 <BcalT:Bcal1>는 <00>으로 결정되고, 단계 S320을 j를 2번 수행하였으면 보정코드 <BcalT:Bcal1>는 <10>으로 결정될 수 있다.When it is determined that the top voltages V Ctop _p and V Ctop _n of the first and second capacitor arrays 110_p and 110_n cross, the SAR controller 150 calculates the correction code <B based on the number of times that step S320 has been performed. calT :B cal1 > is determined (S340). When step S320 is performed j times, the correction code <B calT :B cal1 > may be a value obtained by expressing (j-1) as a binary number. For example, when M is 2, if j is performed once in step S320, the correction code <B calT :B cal1 > is determined to be <00>, and if j is performed twice in step S320, the correction code <B calT :B cal1 > can be determined as <10>.

제1 커패시터 어레이(110_p)의 상단전압(VCtop _p) 또는 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop _n)을 총 M * VLSB만큼 변경하였음에도, 비교기(140)의 출력이 변경되지 않았다고 판단된 경우, SAR 제어부(150)는 M LSB 이상의 측정오차가 존재한다고 판단하고 이에 대응하는 보정 비트 <BcalT:Bcal1>를 결정한다(S342). 이때, 보정 비트는 M을 이진수로 표현한 값일 수 있다. 예를 들어, M 이 2인 경우, 보정 비트 <BcalT:Bcal1>는 <10>으로 결정될 수 있다.Even though the top voltage (V Ctop _p ) of the first capacitor array 110_p or the top voltage (V Ctop _n ) of the second capacitor array 110_n is changed by a total of M * VLSB, the output of the comparator 140 is not changed If it is determined, the SAR controller 150 determines that there is a measurement error greater than M LSB and determines correction bits <B calT :B cal1 > corresponding to the measurement error (S342). In this case, the correction bit may be a value obtained by expressing M as a binary number. For example, when M is 2, the correction bit <B calT :B cal1 > may be determined as <10>.

SAR 제어부(150)는 <BN:B1> 및 <BcalT:Bcal1>를 이용하여 최종 출력코드 <DN:D1>를 계산한다(S350). SAR 제어부(150)는 <BN:B1>에서 <BcalT:Bcal1>을 더하거나 빼 최종 출력코드 <DN:D1>를 얻을 수 있다. The SAR controller 150 calculates the final output code <D N :D 1 > using <B N :B 1 > and <B calT :B cal1 > (S350). The SAR controller 150 may add or subtract <B calT :B cal1 > from <B N :B 1 > to obtain the final output code <D N :D 1 >.

도 3에서는 각 과정들을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 개시의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것이다. 다시 말해, 본 개시의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 3에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 각 과정들 중 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 3은 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.Although each process is described as sequentially executed in FIG. 3 , this is merely an example of the technical idea of an embodiment of the present disclosure. In other words, those skilled in the art to which an embodiment of the present disclosure pertains may change and execute the order described in FIG. 3 or perform one or more of each process within the range that does not deviate from the essential characteristics of an embodiment of the present disclosure. Since it will be possible to apply various modifications and variations by executing in parallel, FIG. 3 is not limited to a time-series order.

도 5는 본 개시의 다른 실시예에 따른 커패시터 어레이의 구조를 나타내는 예시도이다.5 is an exemplary view showing the structure of a capacitor array according to another embodiment of the present disclosure.

도 5는 SAR ADC(10)의 해상도가 5 비트이고, 상위 어레이(500) 내 보정 커패시터의 개수가 2개인 경우의 커패시터 어레이의 구조를 나타낸다. 5 shows the structure of a capacitor array when the resolution of the SAR ADC 10 is 5 bits and the number of correction capacitors in the upper array 500 is two.

도 5를 참조하면, 본 개시의 다른 실시예에 따른 커패시터 어레이(110)는 복수개의 상위 어레이(500 내지 504) 및 하위 어레이(550)를 포함하며, 상위 어레이(500 내지 504) 및 하위 어레이(550)는 각각 복수개의 커패시터들을 포함한다. 상위 어레이(500 내지 504) 및 하위 어레이(550)에 포함된 커패시터들의 일단(이하, '커패시터 어레이(110)의 상단')은 공통으로 연결되어 비교기(140)의 일단(예컨대, 반전 단자 또는 비반전 단자)에 연결된다. 커패시터 어레이(110)를 구성하는 커패시터의 총 개수는 해상도 및 스위칭 기법 등에 따라 결정될 수 있다.Referring to FIG. 5 , a capacitor array 110 according to another embodiment of the present disclosure includes a plurality of upper arrays 500 to 504 and a lower array 550, and the upper array 500 to 504 and the lower array ( 550) each includes a plurality of capacitors. One end of the capacitors included in the upper arrays 500 to 504 and the lower array 550 (hereinafter referred to as 'an upper end of the capacitor array 110') is connected in common to one end of the comparator 140 (eg, an inverting terminal or a non-reversing terminal). inverted terminal). The total number of capacitors constituting the capacitor array 110 may be determined according to a resolution and a switching technique.

복수개의 상위 어레이(500 내지 504)는 N 비트의 디지털 출력 중 상위 비트들에 대응되며, 하위 어레이(550)에 포함된 커패시터는 하위비트들에 대응된다. 상위 비트들 및 하위비트들의 수는 해상도 및 보정 커패시터의 개수 등에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 5를 참조하면, 제1 내지 제3 상위 어레이(500 내지 504)는 각각 상위 3비트들(B5 내지 B3) 중 하나에 대응되며, 하위 어레이(550)에 포함된 커패시터(C2 및 C1) 각각은 하위 2비트(B2 및 B1)들 중 하나에 대응될 수 있다.The plurality of upper arrays 500 to 504 correspond to upper bits of N-bit digital output, and capacitors included in the lower array 550 correspond to lower bits. The number of upper bits and lower bits may be determined according to resolution and the number of correction capacitors. For example, referring to FIG. 5 , the first to third upper arrays 500 to 504 each correspond to one of the upper 3 bits (B 5 to B 3 ), and the capacitor included in the lower array 550 Each of (C 2 and C 1 ) may correspond to one of the lower 2 bits (B 2 and B 1 ).

상위 어레이(500 내지 504)의 커패시턴스 및 하위 어레이(550)에 포함된 커패시터들의 커패시턴스는 대응하는 비트에 의해 정의된다.The capacitance of the upper arrays 500 to 504 and the capacitances of capacitors included in the lower array 550 are defined by corresponding bits.

상위 어레이(500 내지 504)는 대응하는 비트(예컨대, Bk)에 의해 정의되는 커패시턴스 값(예컨대, 2N-2C)을 갖는 커패시터에서 적어도 하나의 보정 커패시터(Ck_calM~Ck_cal1)가 분리된 형태를 가진다. 이에 따라, 상위 어레이(500 내지 504)는 적어도 하나의 보정 커패시터(Ck_calM~Ck_cal1) 및 잔여 커패시터(Ck_res)를 전부 또는 일부 포함할 수 있다. 각 보정 커패시터(Ck_calM~Ck_cal1)의 커패시턴스는, 바람직하게는 단위 커패시턴스 C와 동일하나, 이에 한정되는 것은 아니며 적용되는 스위칭 기법 등에 따라 달라질 수 있다. 잔여 커패시터(Ck _res)의 커패시턴스는 상위 어레이(500 내지 504)의 전체 커패시턴스(2N-2C)에서 적어도 하나의 보정 커패시터(Ck_calM~Ck_cal1)의 커패시턴스를 제한 값으로 정의된다. 따라서, 도 5의 제3 상위 어레이(504)와 같이, 비트에 대응하는 전체 커패시턴스가 복수개의 보정 커패시터(C3_ cal2~C3_ cal1)의 커패시턴스의 합과 같거나 작은 경우, 상위 어레이(500 내지 504)는 잔여 커패시터를 포함하지 않을 수 있다.In the upper arrays 500 to 504, at least one correction capacitor (C k_calM to C k_cal1 ) is separated from a capacitor having a capacitance value (eg, 2 N-2 C) defined by a corresponding bit (eg, B k ). has a form Accordingly, the upper arrays 500 to 504 may include all or part of at least one correction capacitor (C k_calM to C k_cal1 ) and a residual capacitor (C k_res ). The capacitance of each correction capacitor (C k_calM to C k_cal1 ) is preferably the same as the unit capacitance C, but is not limited thereto and may vary depending on an applied switching technique or the like. The capacitance of the residual capacitor (C k _res ) is defined as a value limiting the capacitance of at least one correction capacitor (C k_calM to C k_cal1 ) in the total capacitance (2 N-2 C) of the upper arrays 500 to 504 . Accordingly, as in the third upper array 504 of FIG. 5 , when the total capacitance corresponding to the bits is equal to or smaller than the sum of the capacitances of the plurality of correction capacitors C 3_cal2 to C 3_cal1 , the upper arrays 500 to 500 504) may not include a residual capacitor.

표 3은 도 5의 커패시터 어레이 구조를 이용하여 측정 오차를 보정하는 방법을 예시한 표이다. 표 3에서 설명에 불필요한 정보는 - 로 표현하여 생략하였다.Table 3 is a table illustrating a method of correcting a measurement error using the capacitor array structure of FIG. 5 . In Table 3, information unnecessary for description is omitted by expressing it with -.

casecase BB 88 BB 44 BB 33 BB 22 BB 1One 제어control 1One ~B1 ~B 1 -- -- -- 00 S5_ cal1 _p 및/또는 S5: VREF → GNDS 5_ cal1 _p and/or S 5 : V REF → GND 1One S5_ cal1 _n 및/또는 S5_ cal2 _n: VREF → GNDS 5_ cal1 _n and/or S 5_ cal2 _n : V REF → GND -- ~B1 ~B 1 -- -- 00 S4_ cal1 _p 및/또는 S4_ cal2 _p: VREF → GNDS 4_ cal1 _p and/or S 4_ cal2 _p : V REF → GND 1One S4_ cal1 _n 및/또는 S4_ cal2 _n: VREF → GNDS 4_ cal1 _n and/or S 4_ cal2 _n : V REF → GND -- -- ~B1 ~B 1 -- 00 S3_ cal1 _p 및/또는 S3_ cal2 _p: VREF → GNDS 3_ cal1 _p and/or S 3_ cal2 _p : V REF → GND 1One S3_ cal1 _n 및/또는 S3_ cal2 _n: VREF → GNDS 3_ cal1 _n and/or S 3_ cal2 _n : V REF → GND 22 -- -- -- ~B1 ~B 1 00 S2_p 및/또는 S1_p: VREF → GNDS 2_p and/or S 1_p : V REF → GND 1One S2_n 및/또는 S1_n: VREF → GNDS 2_n and/or S 1_n : V REF → GND 33 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 B1 00 S1_p: VREF → GNDS 1_p : V REF → GND 1One S1_n: VREF → GNDS 1_n : V REF → GND

본 개시의 다른 실시예에 따른 SAR 제어부(150)는 LSB(B1)와 상이한 값을 가지는 비트(Bk)에 대응하는 보정 스위치(Sk _ calM~Sl _ cal1) 및/또는 하위 어레이(550)의 하단에 연결되는 적어도 하나의 스위치(S2 및 S1)를 제어하여 보정코드 <Bcal2:Bcal1>를 결정할 수 있다. 한편, LSB(B1)와 상이한 값을 가지는 비트가 복수개인 경우, 제어대상이 위는 스위치는 구현예에 따라 달라질 수 있다. The SAR controller 150 according to another embodiment of the present disclosure may include a correction switch (S k _ calM ~S l _ cal1 ) and/or a sub-array corresponding to a bit (B k ) having a value different from the LSB (B 1 ) The correction code <B cal2 :B cal1 > may be determined by controlling at least one switch S 2 and S 1 connected to the lower end of 550 . On the other hand, when there are a plurality of bits having values different from LSB (B 1 ), the switch on which the control target is placed may vary depending on the implementation.

1) 상위 비트들 <B5:B3> 중에 LSB(B1)와 상이한 값을 가지는 비트가 있는 경우1) When there is a bit having a different value from LSB(B 1 ) among upper bits <B 5 :B 3 >

SAR 제어부(150)는 LSB(B1)와 상이한 값을 가지는 비트(Bk)에 대응하는 보정 스위치(Sk_cal1 및/또는 Sk _ cal1)를 제어하여, 보정 커패시터(Ck _ cal1 및/또는 Ck _ cal2)의 하단전압을 제1 기준전압(VREF)에서 제2 기준전압(GND)으로 변경시킨다. 예를 들어, SAR 제어부(150)는 제1 보정 스위치(Sk _ cal1 _p 및/또는 Sk _ cal1 _p) 및 제2 보정스위치(Sk _ cal1 _n 및/또는 Sk _ cal1 _n) 중 LSB(B1) 결정 시에 상단전압이 높다고 판단된 커패시터 어레이와 연결된 보정 스위치를 제어할 수 있다. 이에 따라 제1 커패시터 어레이(110_p) 또는 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop_p 또는 VCtop_n)이, VLSB 및/또는 2*VLSB만큼 감소하게 된다. 보정코드 <Bcal2:Bcal1>를 결정하는 방법은 표 2에서 전술한 바와 같으므로, 생략한다. The SAR controller 150 controls the correction switches S k_cal1 and/or S k _ cal1 corresponding to the bit B k having a different value from the LSB (B 1 ) to generate the correction capacitors C k _ cal1 and/or Alternatively, the lower voltage of C k _ cal2 ) is changed from the first reference voltage V REF to the second reference voltage GND. For example, the SAR controller 150 may select one of the first correction switch (S k _ cal1 _p and/or Sk _ cal1 _p ) and the second correction switch (S k _ cal1 _n and/or Sk _ cal1 _n ). When determining LSB(B 1 ), a correction switch connected to a capacitor array determined to have a high upper voltage may be controlled. Accordingly, the top voltage (V Ctop_p or V Ctop_n ) of the first capacitor array 110_p or the second capacitor array 110_n is reduced by V LSB and/or 2*V LSB . The method for determining the correction code <B cal2 :B cal1 > is the same as that described in Table 2, so it is omitted.

2) 두 번째 비트(B2)가 LSB(B1)와 상이한 값을 가지는 경우2) When the second bit (B 2 ) has a different value from the LSB (B 1 )

SAR 제어부(150)는 두 번째 비트(B2) 및/또는 LSB(B1)에 대응하는 스위치(S2 및/또는 S1)를 제어한다. 즉, 이 경우, 두 번째 비트(B2) 및 LSB(B1)에 대응하는 커패시터(C2 및 C1) 및 스위치(S2 및 S1)를 보정 커패시터 및 보정 스위치로 사용한다. The SAR controller 150 controls the switches S 2 and/or S 1 corresponding to the second bit (B 2 ) and/or the LSB (B 1 ). That is, in this case, capacitors (C 2 and C 1 ) and switches (S 2 and S 1 ) corresponding to the second bit (B 2 ) and LSB (B 1 ) are used as a correction capacitor and a correction switch.

3) 모든 비트가 LSB(B1)와 같은 값을 가지는 경우3) When all bits have the same value as LSB (B 1 )

SAR 제어부(150)는 LSB(B1)에 대응하는 스위치(S1)를 제어하여 종단 커패시터(C1)의 하단전압을 제1 기준전압(VREF)에서 제2 기준전압(GND)으로 변경시킨다. 이 경우, 제1 커패시터 어레이(110_p) 또는 제2 커패시터 어레이(110_n)의 상단전압(VCtop_p 또는 VCtop_n)을 VLSB만큼만 감소시킬 수 있으므로, 보정코드 <Bcal2:Bcal1>는 <00> 또는 <01>으로 결정될 수 있다.The SAR controller 150 controls the switch (S 1 ) corresponding to the LSB (B 1 ) to change the lower voltage of the terminating capacitor (C 1 ) from the first reference voltage (V REF ) to the second reference voltage (GND) let it In this case, since the top voltage (V Ctop_p or V Ctop_n ) of the first capacitor array 110_p or the second capacitor array 110_n can be reduced only by V LSB , the correction code <B cal2 :B cal1 > is <00> or <01>.

이상과 같이, 본 개시의 다른 실시예에 따르면, 디지털 코드의 값에 따라 다양한 커패시터들을 보정 커패시터로 이용함으로써, 차지펌프(130)에서 소모되던 에너지를 절약할 수 있다. As described above, according to another embodiment of the present disclosure, energy consumed by the charge pump 130 can be saved by using various capacitors as correction capacitors according to the value of the digital code.

본 명세서에 설명되는 시스템들 및 기법들의 다양한 구현예들은, 디지털 전자 회로, 집적 회로, FPGA(field programmable gate array), ASIC(application specific integrated circuit), 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어, 및/또는 이들의 조합으로 실현될 수 있다. 이러한 다양한 구현예들은 프로그래밍가능 시스템 상에서 실행가능한 하나 이상의 컴퓨터 프로그램들로 구현되는 것을 포함할 수 있다. 프로그래밍가능 시스템은, 저장 시스템, 적어도 하나의 입력 디바이스, 그리고 적어도 하나의 출력 디바이스로부터 데이터 및 명령들을 수신하고 이들에게 데이터 및 명령들을 전송하도록 결합되는 적어도 하나의 프로그래밍가능 프로세서(이것은 특수 목적 프로세서일 수 있거나 혹은 범용 프로세서일 수 있음)를 포함한다. 컴퓨터 프로그램들(이것은 또한 프로그램들, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션들 혹은 코드로서 알려져 있음)은 프로그래밍가능 프로세서에 대한 명령어들을 포함하며 "컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체"에 저장된다. Various implementations of the systems and techniques described herein may include digital electronic circuits, integrated circuits, field programmable gate arrays (FPGAs), application specific integrated circuits (ASICs), computer hardware, firmware, software, and/or their can be realized in combination. These various implementations may include being implemented as one or more computer programs executable on a programmable system. A programmable system includes at least one programmable processor (which may be a special purpose processor) coupled to receive data and instructions from and transmit data and instructions to a storage system, at least one input device, and at least one output device. or may be a general-purpose processor). Computer programs (also known as programs, software, software applications or code) contain instructions for a programmable processor and are stored on a “computer readable medium”.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 이러한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 메모리 카드, 하드 디스크, 광자기 디스크, 스토리지 디바이스 등의 비휘발성(non-volatile) 또는 비일시적인(non-transitory) 매체일 수 있으며, 또한 데이터 전송 매체(data transmission medium)와 같은 일시적인(transitory) 매체를 더 포함할 수도 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다.A computer-readable recording medium includes all kinds of recording devices that store data that can be read by a computer system. These computer-readable  recording media include non-volatile or non-transitory media such as ROM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, memory card, hard disk, magneto-optical disk, and storage device. It may be a medium, and may further include a transitory medium such as a data transmission medium. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed to computer systems connected through a network, and computer-readable codes may be stored and executed in a distributed manner.

본 명세서에 설명되는 시스템들 및 기법들의 다양한 구현예들은, 프로그램가능 컴퓨터에 의하여 구현될 수 있다. 여기서, 컴퓨터는 프로그램가능 프로세서, 데이터 저장 시스템(휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 또는 다른 종류의 저장 시스템이거나 이들의 조합을 포함함) 및 적어도 한 개의 커뮤니케이션 인터페이스를 포함한다. 예컨대, 프로그램가능 컴퓨터는 서버, 네트워크 기기, 셋탑 박스, 내장형 장치, 컴퓨터 확장 모듈, 개인용 컴퓨터, 랩탑, PDA(Personal Data Assistant), 클라우드 컴퓨팅 시스템 또는 모바일 장치 중 하나일 수 있다.Various implementations of the systems and techniques described herein may be implemented by a programmable computer. Here, the computer includes a programmable processor, a data storage system (including volatile memory, non-volatile memory, or other types of storage systems, or combinations thereof) and at least one communication interface. For example, a programmable computer may be one of a server, network device, set top box, embedded device, computer expansion module, personal computer, laptop, personal data assistant (PDA), cloud computing system, or mobile device.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an example of the technical idea of the present embodiment, and various modifications and variations can be made to those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present embodiment. Therefore, the present embodiments are not intended to limit the technical idea of the present embodiment, but to explain, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of this embodiment should be interpreted according to the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of rights of this embodiment.

10: SAR ADC 100: S/H 스위치부
110: 커패시터 어레이 120: 스위치 어레이
130: 차지펌프 140: 비교기
150: SAR 제어부
200: 상위 어레이 50: 하위 어레이
500, 502 및 504: 상위 어레이 550: 하위 어레이
10: SAR ADC 100: S/H switch unit
110: capacitor array 120: switch array
130: charge pump 140: comparator
150: SAR control unit
200: upper array 50: lower array
500, 502 and 504: upper array 550: lower array

Claims (11)

아날로그 신호를 디지털 코드로 변환하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기로서,
적어도 하나의 상위 어레이 및 종단 커패시터(terminal capacitor)를 포함하되, 상기 적어도 하나의 상위 어레이는 적어도 하나의 커패시터를 포함하며, 상기 디지털 코드의 적어도 하나의 상위 비트에 각각 대응하도록 구성된 커패시터 어레이(capacitor array);
상기 종단 커패시터 또는 대상비트에 대응하는 상위 어레이의 하단(bottom plate)에 인가되는 전압을 변경시켜 보정코드를 결정하고, 상기 보정코드를 이용하여 상기 디지털 코드를 보정하는 SAR 제어부; 및
상기 종단 커패시터의 하단에 연결되는 차지펌프를 포함하고,
상기 대상비트는, 상기 디지털 코드의 적어도 하나의 상위 비트 중, 상기 디지털 코드의 최하위 비트(LSB: Least Significant Bit)와 상이한 값을 가지는 어느 한 비트이고,
상기 SAR 제어부는, 상기 대상비트에 대응하는 상위 어레이가 없는 경우, 상기 차지펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기.
As a successive approximation register analog-to-digital converter that converts analog signals into digital codes,
At least one upper array and a terminal capacitor, wherein the at least one upper array includes at least one capacitor and is configured to correspond to at least one upper bit of the digital code, respectively. );
a SAR controller for determining a correction code by changing a voltage applied to the termination capacitor or a bottom plate of an upper array corresponding to the target bit, and correcting the digital code using the correction code; and
A charge pump connected to a lower end of the termination capacitor,
The target bit is any one bit having a value different from the least significant bit (LSB) of the digital code among at least one upper bit of the digital code,
The SAR control unit controls the charge pump when there is no upper array corresponding to the target bit.
제1항에 있어서,
상기 상위 어레이는,
적어도 하나의 보정 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기.
According to claim 1,
The upper array,
A successive approximation register analog-to-digital converter comprising at least one correction capacitor.
제2항에 있어서,
상기 SAR 제어부는,
상기 대상비트에 대응하는 상기 적어도 하나의 보정 커패시터의 하단에 연결된 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기.
According to claim 2,
The SAR controller,
and controlling a switch connected to a lower end of the at least one correction capacitor corresponding to the target bit.
제2항에 있어서,
상기 대상비트에 대응하는 상위 어레이는,
상기 대상비트에 대응하는 커패시터에서 상기 적어도 하나의 보정 커패시터가 분리된 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기.
According to claim 2,
The upper array corresponding to the target bit,
The successive approximation register analog-to-digital converter, characterized in that the at least one correction capacitor is configured in a separate form from the capacitor corresponding to the target bit.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 커패시터 어레이는,
비교기의 제1 입력단에 연결되는 제1 커패시터 어레이 및 상기 비교기의 제2 입력단에 연결되는 제2 커패시터 어레이를 포함하고,
상기 제1 커패시터 어레이 및 상기 제2 커패시터 어레이 각각은, 상기 적어도 하나의 상위 어레이 및 상기 종단 커패시터를 포함하고,
상기 SAR 제어부는,
상기 비교기의 출력에 근거하여 상기 제1 커패시터 어레이 및 상기 제2 커패시터 어레이 중에서 적어도 하나의 커패시터 어레이를 선택하고,
상기 선택된 적어도 하나의 커패시터 어레이에 포함된 상기 종단 커패시터 또는 상기 선택된 적어도 하나의 커패시터 어레이에 포함된 상기 대상비트에 대응하는 상위 어레이의 하단에 인가되는 전압을 변경시키는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기.
According to claim 1,
The capacitor array,
A first capacitor array connected to a first input terminal of a comparator and a second capacitor array connected to a second input terminal of the comparator,
Each of the first capacitor array and the second capacitor array includes the at least one upper array and the terminating capacitor,
The SAR controller,
Selecting at least one capacitor array from among the first capacitor array and the second capacitor array based on the output of the comparator;
and changing a voltage applied to the terminating capacitor included in the selected at least one capacitor array or a lower end of an upper array corresponding to the target bit included in the selected at least one capacitor array. converter.
제6항에 있어서,
상기 SAR 제어부는,
상기 하단에 인가되는 전압의 변경에 대응해 상기 제1 입력단의 전압 및 상기 제2 입력단의 전압이 교차하는지에 기초하여, 상기 보정코드를 결정하는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기.
According to claim 6,
The SAR controller,
Wherein the correction code is determined based on whether the voltage of the first input terminal and the voltage of the second input terminal cross each other in response to a change in the voltage applied to the lower end.
제6항에 있어서,
상기 SAR 제어부는,
기설정된 횟수 내에서, 상기 제1 입력단의 전압 및 상기 제2 입력단의 전압이 교차할 때까지, 상기 하단에 인가되는 전압을 변경시키는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기.
According to claim 6,
The SAR controller,
and changing the voltage applied to the lower end within a predetermined number of times until the voltage of the first input terminal and the voltage of the second input terminal cross each other.
제6항에 있어서,
상기 SAR 제어부는,
상기 제1 입력단 및 상기 제2 입력단 중에서 더 높은 전압을 갖는 것으로 판단된 입력단과 연결된 커패시터 어레이에 포함된 적어도 하나의 상위 어레이를 이용하여 상기 보정코드를 결정하는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기.
According to claim 6,
The SAR controller,
and determining the correction code using at least one upper array included in a capacitor array connected to an input terminal determined to have a higher voltage among the first input terminal and the second input terminal. .
제6항에 있어서,
상기 SAR 제어부는,
상기 제1 입력단 및 상기 제2 입력단 중에서 더 낮은 전압을 갖는 것으로 판단된 입력단과 연결된 커패시터 어레이에 포함된 종단 커패시터를 이용하여 상기 보정코드를 결정하는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기.
According to claim 6,
The SAR controller,
Wherein the correction code is determined using a terminating capacitor included in a capacitor array connected to an input terminal determined to have a lower voltage among the first input terminal and the second input terminal.
적어도 하나의 커패시터를 포함하며 디지털 코드의 적어도 하나의 상위 비트에 각각 대응하는 적어도 하나의 상위 어레이 및 종단 커패시터를 포함하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기의 동작방법으로서,
아날로그 신호에 대응하는 디지털 코드를 결정하는 과정;
상기 종단 커패시터 또는 대상비트에 대응하는 상위 어레이의 하단(bottom plate)에 인가되는 전압을 변경시켜 보정코드를 결정하는 과정; 및
상기 보정코드를 이용하여 상기 디지털 코드를 보정하는 과정을 포함하되,
상기 대상비트는, 상기 디지털 코드의 적어도 하나의 상위 비트 중, 상기 디지털 코드의 최하위 비트(LSB: Least Significant Bit)와 상이한 값을 가지는 어느 한 비트이고,
상기 보정코드를 결정하는 과정은,
상기 대상비트에 대응하는 상위 어레이가 없는 경우, 상기 종단 커패시터의 하단에 연결되는 차지펌프를 제어하는 것을 특징으로 하는 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기의 동작방법.
A method of operating a successive approximation register analog-to-digital converter including at least one capacitor and including at least one upper array and a terminating capacitor respectively corresponding to at least one upper bit of a digital code,
determining a digital code corresponding to an analog signal;
determining a correction code by changing a voltage applied to the terminating capacitor or a bottom plate of an upper array corresponding to a target bit; and
Comprising the process of correcting the digital code using the correction code,
The target bit is any one bit having a value different from the least significant bit (LSB) of the digital code among at least one upper bit of the digital code,
The process of determining the correction code,
and controlling a charge pump connected to a lower end of the terminating capacitor when there is no upper array corresponding to the target bit.
KR1020210062167A 2021-05-13 2021-05-13 Successive-Approximation-Register Analog-to-Digital-Converter Using Capacitor Split And Operating Method thereof KR102548508B1 (en)

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