KR20010055300A - High speed analog digital converter using counter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 에이디 변환기(Analog/Digital Converter)에 관한 것으로, 특히 N비트로 카운팅된 값에 의해 톱니파를 생성하고 이 톱니파에 따라 아날로그신호의 레벨을 검출하여 디지털신호로 변환하는 카운터를 이용한 고속 에이디 변환기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an analog / digital converter, and more particularly, to a high speed AD converter using a counter that generates a sawtooth wave based on a value counted in N bits, and detects and converts an analog signal level according to the sawtooth wave into a digital signal. It is about.
도1은 종래 축차근사 레지스터를 이용한 에이디 변환기의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 기준신호(Vref)에 따라 아날로그신호(VIN)를 비교하여 "고전위" 혹은 "저전위"를 출력하는 비교기(1)와; 상기 비교기(1)의 출력을 최상위 비트(MSB)부터 순차적으로 저장한 다음 이를 출력하는 과정을 반복하여 상기 비교기(1)의 출력이 최하위비트(LSB)까지 저장되면 이를 디지털신호로 출력하는 축차근사 레지스터(Successive Approximation Registor; SAR)(3)와; 상기 축차근사 레지스터(3)의 출력을 아날로그신호로 변환한 기준신호(Vref)를 상기 비교기(1)로 출력하는 디지털/아날로그 변환기(2)로 구성되며, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작을 설명한다.FIG. 1 is a block diagram showing the structure of an AD converter using a conventional approximation register. As shown therein, an analog signal V IN is compared according to a reference signal V ref , and thus "high potential" or "low potential". Comparator 1 for outputting a; Sequential approximation that stores the output of the comparator 1 sequentially from the most significant bit (MSB) and then outputs it, and outputs it as a digital signal when the output of the comparator 1 is stored up to the least significant bit (LSB). A Successive Approximation Registor (SAR) 3; It consists of a digital-to-analog converter (2) for outputting the reference signal (V ref ) obtained by converting the output of the step approximation register (3) into an analog signal to the comparator (1). do.
처음에 에이디 변환기의 동작이 시작되면, 축차근사 레지스터(3)의 출력을 모두 영으로 초기화하고, 디지털/아날로그 변환기(2)의 출력은 전원전압(VDD)의 절반을 기준신호(Vref)로 하여 비교기(1)의 부(-)단자에 입력한다.When the operation of the AD converter is first started, the outputs of the successive approximation registers 3 are all initialized to zero, and the output of the digital-to-analog converter 2 converts half of the power supply voltage VDD into the reference signal V ref . To the negative terminal of the comparator 1.
그 다음, 상기 비교기(1)의 정(+)단자에 디지털신호로 변환하고자 하는 아날로그신호(VIN) 입력되면, 상기 비교기(1)는 기준신호(Vref)에 따라 아날로그신호(VIN)를 비교하는데, 여기서 아날로그신호(VIN)가 기준신호(Vref)보다 클 경우 "고전위"를, 아날로그신호(VIN)가 기준신호(Vref)보다 작을 경우 "저전위"를 축차근사 레지스터(3)로 출력한다.Next, when the analog signal V IN to be converted into a digital signal is input to the positive terminal of the comparator 1, the comparator 1 is analog signal V IN according to the reference signal V ref . a, in comparison here is less than the analog signal (V iN) a reference signal (V ref) than is greater on the "high potential", the analog signal (V iN) a reference signal (V ref) successively a "low potential" approximating Output to register (3).
그러면, 상기 축차근사 레지스터(3)는 상기 비교기(1)의 출력을 최상위비트(MSB)에 저장한 다음 이를 다시 읽어 디지털/아날로그 변환기(2)로 출력하고, 상기 디지털/아날로그 변환기(2)는 이를 새로운 기준신호(Vref)로 변환하여 상기 비교기(1)로 출력한다.Then, the successive approximation register 3 stores the output of the comparator 1 in the most significant bit MSB, reads it again, and outputs it to the digital-to-analog converter 2, and the digital-to-analog converter 2 This is converted into a new reference signal V ref and output to the comparator 1.
그리고, 상기 비교기(1)는 아날로그신호(VIN)를 상기 디지털/아날로그 변환기(2)의 새로운 기준신호(Vref)와 비교하여, 그 결과에 따라 "고전위" 혹은 "저전위"를 출력한다.The comparator 1 compares the analog signal V IN with the new reference signal V ref of the digital-to-analog converter 2 and outputs "high potential" or "low potential" according to the result. do.
여기서, 상기 비교기(1)의 출력은 축차근사 레지스터(3)의 최상위비트(MSB)의 다음 비트, 즉 MSB-1번째 비트에 저장된 다음 디지털/아날로그 변환기(2)로 출력되어 새로운 기준신호(Vref)를 생성하게 되는데, 여기서 상기 축차근사 레지스터(3)는 최하위비트(LSB)에 데이터가 저장될 때까지 상기의 과정을 반복하고, 이때 최종적으로 최하위비트(LSB)까지 채워진 값이 아날로그신호(VIN)가 디지털로 변환된 디지털신호가 된다.Here, the output of the comparator 1 is output to the next bit of the most significant bit MSB of the successive approximation register 3, that is, the MSB-1 th bit, and then to the next digital-to-analog converter 2 to output a new reference signal V. ref ), where the successive approximation register 3 repeats the above process until the data is stored in the least significant bit (LSB), and finally the value filled up to the least significant bit (LSB) is the analog signal ( V IN ) becomes a digital signal converted to digital.
그러나, 상기에서와 같이 종래의 기술에 있어서 에이디 변환기의 출력 비트수가 커질 경우 에이디 변환기 내부의 디지털/아날로그 변환기는 원하는 비트수의 두 배에 해당하는 레벨의 전압을 출력해야 함으로써, 이를 모스 트랜지스터로 구현할 경우 에이디 변환기의 출력에 한계가 발생함과 아울러 레이아웃시에 에이디 변환기의 점유 면적이 증가하는 문제점이 있었다.However, as described above, when the number of output bits of the AD converter increases, the digital-to-analog converter inside the AD converter must output a voltage corresponding to twice the desired number of bits, thereby implementing this as a MOS transistor. In this case, there is a problem that the output of the AD converter is limited and the area occupied by the AD converter increases during layout.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, N비트로 카운팅된 값에 의해 톱니파를 생성하고 이 톱니파에 따라 아날로그신호의 레벨을 검출하여 디지털신호로 변환하도록 하는 카운터를 이용한 고속 에이디 변환기를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and generates a sawtooth wave based on a value counted in N bits, and uses a counter to detect and convert the level of an analog signal according to the sawtooth wave into a digital signal. The purpose is to provide a fast AD converter.
도1은 종래 축차근사 레지스터를 이용한 에이디 변환기의 구성을 보인 블록도.1 is a block diagram showing the configuration of an AD converter using a conventional approximation register.
도2는 본 발명 카운터를 이용한 고속 에이디 변환기의 구성을 보인 블록도.2 is a block diagram showing the configuration of a fast AD converter using the present invention counter.
도3은 도2에서, 각 신호의 출력파형을 보인 파형도.FIG. 3 is a waveform diagram showing an output waveform of each signal in FIG. 2; FIG.
***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명****** Description of the symbols for the main parts of the drawings ***
10 : 클럭발생기 20 : N비트 카운터10: clock generator 20: N bit counter
30 : 톱니파발생기 40 : 증폭기30: sawtooth generator 40: amplifier
50 : 비교기 60,70 : 저항50: comparator 60,70: resistance
80 : 래치부80: latch portion
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 소정 주기의 클럭을 출력하는 클럭발생기와; 상기 클럭발생기의 출력에 의해 N비트로 이진 카운팅하는 N비트 카운터와; 상기 N비트 카운터에서 카운팅된 출력을 입력받아 톱니파를 생성하는 톱니파발생기와; 상기 톱니파발생기의 출력을 소정 레벨로 비반전 증폭하는 증폭기와; 상기 증폭기에서 소정 레벨로 증폭된 톱니파를 기준전압으로 하여 이를 입력된 아날로그신호와 비교하는 비교기와; 상기 N비트 카운터의 카운팅된 출력을 래치한 다음, 상기 비교기의 출력에 따라 이를 디지털신호로 출력하는 래치부로 구성하여 된 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a clock generator for outputting a clock of a predetermined period; An N bit counter for binary counting N bits by the output of the clock generator; A sawtooth wave generator for receiving the output counted from the N-bit counter to generate a sawtooth wave; An amplifier for non-inverting and amplifying the output of the sawtooth generator to a predetermined level; A comparator for comparing a sawtooth wave amplified to a predetermined level by the amplifier as a reference voltage and an analog signal input thereto; And latching the counted output of the N-bit counter and then outputting it as a digital signal according to the output of the comparator.
이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과같다.Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도2는 본 발명 카운터를 이용한 고속 에이디 변환기의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 소정 주기의 클럭(CLK)을 출력하는 클럭발생기(10)와; 상기 클럭발생기(10)의 출력(CLK)에 의해 N비트로 이진 카운팅하는 N비트 카운터(20)와; 상기 N비트 카운터(20)에서 카운팅된 출력을 입력받아 톱니파를 생성하는 톱니파발생기(30)와; 저항(60,70)의 비에 따라 상기 톱니파발생기(30)의 출력을 소정 레벨로 비반전 증폭하는 증폭기(40)와; 상기 증폭기(40)에서 소정 레벨로 증폭된 톱니파를 기준전압으로 하여 이를 아날로그신호(VIN)와 비교하는 비교기(50)와; 상기 N비트 카운터(20)에서 카운팅된 출력을 래치한 다음, 상기 비교기(50)의 출력에 따라 이를 디지털신호(OUT)로 출력하는 래치부(80)로 구성하며, 이와 같이 구성한 본 발명에 따른 일실시예의 동작 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Fig. 2 is a block diagram showing the configuration of the fast AD converter using the counter of the present invention, and a clock generator 10 for outputting a clock CLK of a predetermined period as shown therein; An N bit counter 20 for binary counting N bits by an output CLK of the clock generator 10; A sawtooth wave generator 30 for receiving the output counted by the N-bit counter 20 and generating a sawtooth wave; An amplifier (40) for non-inverting amplifying the output of the sawtooth generator (30) to a predetermined level in accordance with the ratio of resistors (60, 70); A comparator (50) for comparing the sawtooth wave amplified by the amplifier (40) to a reference voltage with an analog signal (V IN ); According to the present invention configured to latch the output counted by the N-bit counter 20, and then output it as a digital signal OUT according to the output of the comparator 50, according to the present invention The operation and operation of one embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 클럭발생기(10)에서 출력된 소정 주기의 클럭(CLK)에 의해 N비트 카운터(20)는 N비트 이진 카운팅하여 카운팅된 값을 톱니파발생기(30) 및 래치부(80)로 출력하고, 이때 리셋신호(RST)는 디스에이블 된다.First, the N-bit counter 20 performs N-bit binary counting to output the counted value to the sawtooth generator 30 and the latch unit 80 by a clock CLK of a predetermined period output from the clock generator 10. At this time, the reset signal RST is disabled.
이때, 아날로그신호(VIN)를 N비트의 디지털신호(OUT)로 디지털 변환할 경우 상기 N비트 카운터(20)는 N개의 출력단을 통해 이진 카운팅된 값을 상기 톱니파 발생기(30)로 출력하는데, 아날로그신호(VIN)를 4비트의 디지털신호로 변환한다고 가정하면, 도3의 (a)와 같은 소정 주기의 클럭(CLK)에 대해 상기 N비트 카운터(20)는 도3의 (b)와 같이 N번째 출력단에는 2배 체배한 클럭(CLK)을, N-1번째 출력단에는 4배 체배한 클럭(CLK)을, N-2번째 출력단에는 8배 체배한 클럭(CLK)을, N-3번째 출력단에는 16배 체배한 클럭(CLK)을 노드 A에 출력하게 된다.In this case, when the analog signal V IN is digitally converted into an N bit digital signal OUT, the N bit counter 20 outputs a binary counted value through the N output terminals to the sawtooth generator 30. Assuming that the analog signal V IN is converted into a 4-bit digital signal, the N-bit counter 20 is the same as that of FIG. 3 (b) for a clock CLK of a predetermined period as shown in FIG. Similarly, the clocked CLK multiplied by 2 times to the Nth output stage, the clocked CLK multiplied by 4 times to the N-1st output stage, the clocked CLK multiplied 8 times to the N-2nd output stage, N-3 The 16th multiplied clock CLK is output to the node A at the first output terminal.
즉, 상기 N비트 카운터(20)는 4개의 출력단을 통해 이진 카운팅된 값을 출력한다.That is, the N-bit counter 20 outputs a binary counted value through four output stages.
그러면, R-2R 네트워크로 구성된 톱니파발생기(30)는 상기 N비트 카운터(20)에서 4비트로 카운팅된 값을 입력받아 톱니파를 생성하고, 생성된 톱니파를 노드 B를 통해 증폭기(40)의 정단자(+)로 출력한다.Then, the sawtooth generator 30 composed of the R-2R network receives the value counted to 4 bits from the N-bit counter 20 to generate a sawtooth wave, and the generated sawtooth wave through the node B the positive terminal of the amplifier 40 Output as (+).
여기서, 상기 톱니파발생기(30)에서 출력된 톱니파는 도3의 (c)에서 원 a 및 원 b에 나타낸 것과 같이 접지전압(GND) 및 전원전압(VDD)이 불안정한 둔한 톱니파의 형태가 되는데, 증폭기(40)는 부단자(-)에 피드백(feedback)된 저항(60,70)의 비에 따라 상기 둔한 톱니파를 소정 레벨로 비반전 증폭하여 노드 C를 통해 비교기(50)의 정단자(+)로 출력한다.Here, the sawtooth wave output from the sawtooth wave generator 30 is in the form of a dull sawtooth wave in which the ground voltage GND and the power supply voltage VDD are unstable, as shown in circle a and circle b in FIG. 40 non-inverts and amplifies the dull sawtooth wave to a predetermined level according to the ratio of the resistors 60 and 70 fed back to the negative terminal (-), and the positive terminal (+) of the comparator 50 through the node C. Will output
이때, 상기 비교기(50)는 도3의 (d)와 같이 부단자(-)에 아날로그신호(VIN)를 입력받고 정단자(+)에 상기 증폭기(40)의 출력을 입력받아, 상기 증폭기(40)의 출력이 아날로그신호(VIN)보다 큰 레벨이면 도3의 (e)와 같이 두 신호의 교차점에서 "고전위"를 출력하여 다른 교차점을 만날 때까지 이를 지속한다.In this case, the comparator 50 receives the analog signal V IN at the negative terminal (−) and the output of the amplifier 40 at the positive terminal (+), as shown in FIG. If the output of the signal 40 is higher than the analog signal V IN , as shown in (e) of FIG. 3, "high potential" is output at the intersection point of the two signals and continues until another intersection point is met.
그리고, 래치부(80)는 상기 N비트 카운터(20)의 카운팅 출력을 래치한 다음, 상기 비교기(50)가 "고전위"를 출력하는 시점에서 그 시점에 해당하는 카운팅값을 디지털신호(OUT)로 출력한다.In addition, the latch unit 80 latches the counting output of the N-bit counter 20, and then, at the point in time when the comparator 50 outputs a "high potential", the latch unit 80 outputs a counting value corresponding to the point in time. )
즉, 도3의 (f)와 같이 상기 비교기(50)가 "고전위"를 출력하는 시점에서 상기 래치부(50)는 각각 "11(1011)","6(0110)"인 디지털신호(OUT)를 출력한다.That is, as shown in FIG. 3 (f), when the comparator 50 outputs "high potential", the latch unit 50 is a digital signal (11 (1011) "," 6 (0110) ", respectively. OUT) is output.
따라서, 상기 N비트 카운터(20)가 고속으로 동작하거나 카운팅값의 비트수를 증가할 경우 고해상도 및 고속의 에이디 변환기를 구현이 가능하다.Therefore, when the N-bit counter 20 operates at high speed or increases the number of bits of the counting value, the high-resolution and high-speed AD converter can be implemented.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 N비트로 카운팅된 값에 의해 톱니파를 생성하고 이 톱니파에 따라 아날로그신호의 레벨을 검출하여 디지털신호로 변환함으로써, 에이디 변환기의 레이아웃 면적을 줄임과 아울러 적은 레이아웃 면적에 의해 에이디 변환기를 온칩(on chip)화 할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention generates a sawtooth wave based on a value counted by N bits, detects a level of an analog signal according to the sawtooth wave, and converts the signal into a digital signal, thereby reducing the layout area of the AD converter and using a smaller layout area. There is an effect that the AD converter can be on chip.
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KR1019990056481A KR20010055300A (en) | 1999-12-10 | 1999-12-10 | High speed analog digital converter using counter |
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