KR20140063059A - Hybrid pipeline adc using time-interleaved sar and flash adc - Google Patents

Hybrid pipeline adc using time-interleaved sar and flash adc Download PDF

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KR20140063059A KR1020120129957A KR20120129957A KR20140063059A KR 20140063059 A KR20140063059 A KR 20140063059A KR 1020120129957 A KR1020120129957 A KR 1020120129957A KR 20120129957 A KR20120129957 A KR 20120129957A KR 20140063059 A KR20140063059 A KR 20140063059A
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Abstract

The present invention relates to a pipelined ADC. A first end thereof is configured to be formed by two SAR ADC which is provided in a dual channel and the remaining end thereof is configured to be formed by a first flash ADC and a second flash ADC which are provided in a single channel. The present invention is capable of rapid operation because a Nyquist input signal is appropriately processed even without a secure hash algorithm (SHA) and simultaneously the speed of the operation is not limited by the SAR ADC.

Description

이중채널 SAR 및 플래쉬 ADC를 이용한 하이브리드 파이프라인 ADC {Hybrid pipeline ADC using time-interleaved SAR and flash ADC}[0001] Hybrid pipeline ADC using dual channel SAR and flash ADC [

본 발명은 파이프라인 ADC에 관한 것으로서, 이중채널 SAR 및 플래쉬 ADC를 이용하여 고속으로 동작하는 파이프라인 ADC 및 상기 파이프라인 ADC를 포함하는 모바일 디스플레이 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a pipelined ADC, and more particularly, to a pipelined ADC operating at high speed using a dual channel SAR and a flash ADC and a mobile display system including the pipelined ADC.

최근 휴대용 전자기기 및 통신 시스템의 발전에 따라 high definition (HD)급 영상을 스마트폰에서도 감상이 가능하게 되었다. 이러한 모바일 디스플레이 시스템에는 RGB 신호를 포함한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환기(analog-to-digital converter: ADC)가 필수적으로 요구된다. 이러한 응용을 위한 ADC에는 12비트 수준의 해상도와 75MS/s 이상의 동작 속도가 요구되며, 기존에는 이러한 사양을 구현하기 위해 파이프라인 구조가 통상 사용되었다. 파이프라인 구조에서는 동작의 특성상 아날로그 입력이 multiplying digital-to-analog converter (MDAC)에 사용되는 잔류전압 증폭기와 flash ADC에서 각각 샘플링 됨에 따라 두 블록 간 샘플링 부정합이 발생하는 것을 방지하기 위해 별도의 sample-and-hold amplifier (SHA)를 사용하는 경향이 있다. 이러한 SHA가 전체 ADC에서 차지하는 면적 및 전력의 비중이 적지 않으므로 소면적 및 저전력을 위해 SHA 없이 구현된 파이프라인 구조가 최근 여러 차례 제안되어 왔다. 그러나 SHA를 사용하지 않는 기존 구조는 Nyquist의 입력까지 성능을 유지하기 위해 복잡한 디지털 회로를 추가하거나 정교한 레이아웃을 통해 부분적으로 해결하는 방법 외에는 근본적인 해결책이 없는 실정이다. 한편, successive approximation register (SAR) ADC의 경우 자체적으로 sample-and-hold 기능이 있으므로 별도의 SHA 없이도 높은 주파수의 입력 신호를 적절히 처리할 수 있으나 해상도의 증가에 따라 요구되는 커패시터의 수가 증가하고 내부 회로의 동작 속도가 증가하게 되어 결과적으로 전체 ADC의 해상도 및 동작 속도가 제한된다. 특히 12비트 수준의 고해상도로 설계된 SAR ADC의 경우, 입력 샘플링 시간을 포함하여 최소한 전체 ADC 동작 속도의 13배 이상의 빠른 속도로 내부 회로가 동작하므로 샘플링 및 홀딩 시간이 부족하게 되어 고속 동작이 어렵다. 또한 커패시터 수의 증가에 따른 면적 증가를 완화하기 위해 단위 커패시터의 크기를 작게 하지만 기생 커패시턴스 및 커패시터 부정합에 의한 성능 저하가 더욱 크게 발생하게 된다. 이를 개선하기 위해 2단 파이프라인 구조의 SAR ADC를 사용하여 요구되는 커패시터 수 및 동작 속도를 개선시켰지만 여전히 고속 동작으로는 부족하다.With the development of portable electronic devices and communication systems, high definition (HD) images can be viewed on smart phones. In such a mobile display system, an analog-to-digital converter (ADC) for converting an analog signal including RGB signals into a digital signal is indispensably required. ADCs for these applications require 12-bit resolution and operating speeds of over 75 MS / s. Traditionally, pipelined architectures have been used to implement these specifications. In the pipelined architecture, the analog input is sampled by the residual voltage amplifier and the flash ADC used in the multiplying digital-to-analog converter (MDAC), so a separate sample- and-hold amplifiers (SHAs). Since the area occupied by the SHA and the power occupied by the entire ADC are not so small, a pipeline structure implemented without SHA for small area and low power has been proposed many times recently. However, existing structures that do not use SHA do not have a fundamental solution other than to add complex digital circuits or partially solve them through sophisticated layouts to maintain performance up to Nyquist's input. On the other hand, the successive approximation register (SAR) ADC has its own sample-and-hold function. Therefore, it is possible to properly process high frequency input signals without a separate SHA, but the number of capacitors required increases with increasing resolution, And consequently the resolution and operation speed of the entire ADC are limited. Especially, SAR ADC designed with high resolution of 12 bit level has internal circuit operation at least 13 times faster than ADC operation speed including input sampling time, so sampling and holding time is insufficient and high-speed operation is difficult. In order to mitigate the increase in area due to the increase in the number of capacitors, the size of the unit capacitors is reduced, but the performance degradation due to the parasitic capacitance and the capacitor mismatch is further increased. To improve this, a two-stage pipelined SAR ADC is used to improve the required number of capacitors and operation speed, but still not enough for high-speed operation.

본 발명의 일 실시예에 따른 파이프라인 ADC는 "아날로그-디지털 변환장치(출원번호: KR10-2001-0087244)" 및 "다단 연속 근사 레지스터 아날로그 디지털 변환기 및 이를 이용한 아날로그 디지털 변환 방법(출원번호: KR10-2008-0090653)" 등의 선행기술에 언급된 ADC와 같이, A/D 변환에 사용된다.A pipelined ADC according to an embodiment of the present invention is an analog-to-digital converter (Application No. KR10-2001-0087244) and a multi-stage successive approximation register analog-to-digital converter and an analog- -2008-0090653) ", which is used in A / D conversion.

본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 SHA가 없는 파이프라인 ADC에서 Nyquist의 입력 처리 시 성능이 급격히 저하되는 것을 구조적으로 해결하기 위해 이중채널 SAR 및 플래쉬 ADC를 이용한 파이프라인 ADC를 제공하는 것이다.The first problem to be solved by the present invention is to provide a pipelined ADC using a dual channel SAR and a flash ADC to structurally solve the performance degradation in Nyquist's input processing in an SHA-free pipelined ADC.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 이중채널 SAR 및 플래쉬 ADC를 이용한 파이프라인 ADC를 포함하는 모바일 디스플레이 시스템을 제공하는 것이다.A second object of the present invention is to provide a mobile display system including a pipelined ADC using a dual channel SAR and a flash ADC.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여, 첫 번째 단은 이중채널로 구현되는 두 개의 SAR ADC로 형성되고, 나머지 단은 단일채널로 구현되는 제 1 플래쉬(flash) ADC 및 제 2 플래쉬 ADC로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC를 제공한다.In order to solve the first problem, the first stage includes a first flash ADC and a second flash ADC, each of which is formed of two SAR ADCs, each of which is implemented as a dual channel, A plurality of pipelined ADCs are formed.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 각 SAR ADC와 MDAC가 증폭기를 공유하고, 상기 증폭기는 상기 두 개의 SAR ADC 중 선택된 SAR ADC의 잔류전압 증폭과 MDAC의 잔류전압 증폭을 교대로 수행하는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, each of the SAR ADCs and the MDACs share an amplifier, and the amplifier alternately performs the residual voltage amplification of the selected SAR ADC of the two SAR ADCs and the residual voltage amplification of the MDACs Lt; / RTI > ADC.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 각 SAR ADC는 클록의 반 주기 동안 샘플링을 수행하고, 다음 한 주기 동안 SAR 동작을 수행하며, 다음 반주기 동안 잔류전압 증폭을 수행하는 것을 반복하고, 상기 MDAC는 상기 클록의 반 주기 동안 샘플링을 수행하고, 다음 반 주기 동안 증폭을 수행하는 것을 반복하며, 상기 각 SAR ADC는 다른 SAR ADC가 상기 SAR 동작을 수행하는 한 주기 동안, 상기 샘플링 및 증폭을 수행하는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, each SAR ADC performs sampling for half a period of the clock, performs SAR operation for the next one period, and repeats performing the residual voltage amplification for the next half period, Performing sampling for half a period of the clock, and performing amplification for the next half-cycle, each SAR ADC performing the sampling and amplification for one period when another SAR ADC performs the SAR operation Which may be a pipelined ADC.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 증폭기의 두 개의 입력 단 중 하나의 입력 단은 상기 두 개의 SAR ADC가 공유하고, 나머지 입력 단은 MDAC에 연결되어 있을 수 있으며, 상기 두 개의 SAR ADC가 사용하는 입력 단에 연결되는 SAR ADC 채널은 증폭기 외부의 CMOS 스위치에 의해 선택되는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, one of the two input stages of the amplifier may be shared by the two SAR ADCs and the other input stage may be connected to the MDAC. And the SAR ADC channel coupled to the input end of the amplifier is selected by a CMOS switch external to the amplifier.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 SAR ADC의 SAR 동작시 사용되는 기준전압과 상기 증폭기의 증폭 동작시 사용되는 기준전압이 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC일 수 있고, 상기 SAR 동작시 사용되는 기준전압과 상기 증폭 동작시 사용되는 기준전압은 기준전압 생성회로는 공유하고, 기준전압 구동회로는 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the reference voltage used in the SAR operation of the SAR ADC and the reference voltage used in the amplification operation of the amplifier are separated from each other. The reference voltage used and the reference voltage used in the amplifying operation are shared by the reference voltage generating circuit and the reference voltage driving circuit is separated.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제 2 플래쉬 ADC는 최상위 비트를 먼저 결정하고, 하위 비트를 결정하는 2단계 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the second flash ADC may be a pipelined ADC in which a most significant bit is first determined and a lower bit is determined.

본 발명은 상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 상기 파이프라인 ADC를 포함하는 모바일 디스플레이 시스템을 제공한다.In order to solve the second problem, the present invention provides a mobile display system including the pipelined ADC.

본 발명에 따르면, SHA 없이도 Nyquist의 입력신호까지 적절히 처리할 수 있음과 동시에 SAR ADC에서 처리하는 해상도가 낮아지므로 고속 동작이 가능하다. 또한, 요구되는 세 개의 증폭기를 모두 공유하여 하나의 증폭기만으로 구현하여 증폭기에서 발생하는 부정합을 원천적으로 제거할 수 있으며, 면적 및 전력을 감소시킨다. 나아가, 각 채널에서 사용되는 샘플링 클록은 하나의 기준 클록에 동기화시켜 채널 간 입력 샘플링 신호 부정합 문제가 해결되며, 기준전압 생성회로는 공유하고 기준전압의 안정적 정착을 위해 사용하는 전압 구동회로만을 분리하여 서로 다른 동작 모드가 중첩됨에 따라 발생할 수 있는 기준전압 불안정 문제 및 기준전압 간 발생할 수 있는 부정합 문제가 해결된다.According to the present invention, it is possible to appropriately process Nyquist input signals without SHA, and at the same time, the resolution to be processed by the SAR ADC is lowered, so that high-speed operation is possible. In addition, all three amplifiers required are shared and implemented by only one amplifier, which can remove the mismatch occurring in the amplifier and reduce the area and power. Further, the sampling clock used in each channel is synchronized with one reference clock to solve the problem of input sampling signal mismatch between channels, and the reference voltage generating circuit separates only the voltage driving circuit used for stable fixing of the reference voltage A problem of reference voltage instability that may occur as a result of overlapping of different operation modes and inconsistency problems that may occur between reference voltages are solved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프라인 ADC를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC의 주요 회로 블록의 타이밍을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이중 채널의 SAR ADC와 공유 증폭기를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC의 온 칩 클록 생성 회로를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC의 공유 증폭기를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC의 기준전압 구동회로의 분리를 개념적으로 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC의 분리된 전압 구동회로가 분리된 기준전압 생성회로 및 기준전류 생성회로를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC가 칩 상에 구현된 것을 도시한 것이다.
도 9는 도 8의 ADC의 측정된 DNL 및 INL을 도시한 것이다.
도 10은 도 8의 ADC의 측정된 FFT 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 11은 도 8의 ADC의 측정된 동적성능을 도시한 것이다.
Figure 1 illustrates a pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the timing of the main circuit block of a pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.
3 illustrates a dual-channel SAR ADC and a shared amplifier according to an embodiment of the present invention.
4 illustrates an on-chip clock generation circuit of a pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.
5 illustrates a shared amplifier of a pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 conceptually illustrates separation of a reference voltage driving circuit of a pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 illustrates a reference voltage generation circuit and a reference current generation circuit separated by a separate voltage driving circuit of a pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 illustrates a pipelined ADC implemented on a chip according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 shows the measured DNL and INL of the ADC of Figure 8;
Figure 10 shows the measured FFT spectrum of the ADC of Figure 8;
Figure 11 shows the measured dynamic performance of the ADC of Figure 8;

본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.Prior to the description of the concrete contents of the present invention, for the sake of understanding, the outline of the solution of the problem to be solved by the present invention or the core of the technical idea is first given.

본 발명의 일 실시예에 따른 파이프라인 ADC는 첫 번째 단은 이중채널로 구현되는 두 개의 SAR ADC로 형성되고, 나머지 단은 단일채널로 구현되는 제 1 플래쉬(flash) ADC 및 제 2 플래쉬 ADC로 형성되는 것을 특징으로 한다. The pipelined ADC according to an exemplary embodiment of the present invention includes a first flash ADC and a second flash ADC. The first and second flash ADCs are formed by two SAR ADCs, Is formed.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art, however, that these examples are provided to further illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail preferred embodiments thereof with reference to the attached drawings in which: It is possible to quote the above. In the following detailed description of the principles of operation of the preferred embodiments of the present invention, it is to be understood that the present invention is not limited to the details of the known functions and configurations, and other matters may be unnecessarily obscured, A detailed description thereof will be omitted.

본 발명의 일 실시예에 따른 파이프라인 ADC는 고속으로 동작하며 고해상도, 저전력, 및 소면적을 동시에 만족하는 파이프라인 구조의 ADC이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프라인 ADC는 0.11um CMOS 공정으로 제작된 3단 파이프라인 구조의 12비트 80MS/s ADC일 수 있다.The pipelined ADC according to an exemplary embodiment of the present invention is a pipelined ADC that operates at high speed and simultaneously satisfies high resolution, low power, and small area. A pipelined ADC according to an embodiment of the present invention may be a 12-bit 80 MS / s ADC having a three-stage pipeline structure manufactured by a 0.11um CMOS process.

본 발명의 일 실시예에 따른 파이프라인 ADC는 SHA 없이도 Nyquist의 입력신호까지 적절히 처리하도록 첫 번째 단에는 SAR ADC를 사용하고, 나머지 파이프라인 단은 회로가 간단하면서 고속 동작이 가능한 플래쉬(flash) ADC를 사용한다. 결과적으로 SAR ADC에서는 4비트만 처리하므로 요구되는 커패시터의 수가 적으며, 이중채널로 구성함에 따라 80MHz 클록의 반주기 동안 샘플링 및 홀딩하게 되어 SAR ADC에 의해 전체 ADC의 동작속도가 제한되지 않는다. 한편, 3단 파이프라인 ADC에서는 이론적으로 SAR ADC 각 채널의 잔류전압을 증폭해주는 잔류전압 증폭기 및 MDAC에서 사용되는 증폭기까지 총 세 개의 증폭기가 요구된다. 이와 같이 요구되는 증폭기를 있는 그대로 숫자만큼의 증폭기로 구현할 경우, 면적 및 전력의 증가뿐만 아니라 증폭기 간 발생할 수 있는 오프셋 및 이득 부정합에 의해 성능 저하가 발생할 수 있는바, 요구되는 세 개의 증폭기를 모두 공유하여 하나의 증폭기만으로 구현하여 증폭기에서 발생하는 부정합을 원천적으로 제거하며, 면적 및 전력을 감소시킨다. 또한 이중채널 SAR ADC의 각 채널에서 사용되는 샘플링 클록을 하나의 기준 클록에 동기화시켜 채널 간 입력 샘플링 신호 부정합 문제를 최소화할 수 있다. 한편 MDAC 및 한쪽 채널의 SAR ADC에서 증폭 동작 시 다른 채널의 SAR ADC는 고속의 SAR 동작을 하게 되면, 기준전압 정착시간의 불안정 문제가 발생할 수 있지만, SAR ADC와 나머지 파이프라인 단에서 사용하는 기준전압을 분리함으로써 상기 문제를 방지할 수 있다. 이때 기준전압 생성회로는 공유하고 기준전압의 안정적 정착을 위해 사용하는 전압 구동회로만을 분리하여 SAR ADC에서 사용하는 기준전압과 나머지 파이프라인 단에서 사용하는 기준전압 간 발생할 수 있는 부정합을 최소화할 수 있다. 또한 SAR ADC 내부에서 사용하는 320MHz 수준의 고속 클록은 칩 내부에서 생성하여 SoC 응용에 용이하도록 설계할 수 있으며, 외부의 3비트 컨트롤 신호를 통해 주파수 및 duty cycle을 조절할 수 있도록 하여 기준전압 샘플링 및 프리앰프 증폭 시간을 필요에 따라 조절할 수 있다.
The pipelined ADC according to an exemplary embodiment of the present invention uses a SAR ADC for the first stage to appropriately process Nyquist's input signal without SHA and the remaining pipeline stages include a flash ADC Lt; / RTI > As a result, the SAR ADC handles only 4 bits, so the number of capacitors required is low. By configuring the dual channel, it is sampled and held for half a period of 80 MHz clock, so the operation speed of the entire ADC is not limited by SAR ADC. On the other hand, a three-stage pipeline ADC requires a total of three amplifiers, theoretically a residual voltage amplifier that amplifies the residual voltage of each channel of the SAR ADC and an amplifier used in the MDAC. If the number of amplifiers required by such a number of amplifiers is implemented as the number of amplifiers as they are, there may be a performance degradation due to offset and gain mismatch between amplifiers as well as increase in area and power, Therefore, it is possible to implement the amplifier with only one amplifier, thereby eliminating the mismatch occurring in the amplifier and reducing the area and power. In addition, the sampling clock used on each channel of the dual-channel SAR ADC can be synchronized to a single reference clock, minimizing the input-to-channel sampling signal mismatch problem. On the other hand, when the SAR ADC of the MDAC and the one channel performs amplification operation, the SAR ADC of the other channel may cause instability problem of the reference voltage fixing time if the SAR operation is performed at a high speed. However, The above problem can be avoided. At this time, the reference voltage generating circuit can share only the voltage driving circuit used for stabilizing the reference voltage, thereby minimizing inconsistencies between the reference voltage used in the SAR ADC and the reference voltage used in the remaining pipeline stages . In addition, the 320MHz high-speed clock used in the SAR ADC can be designed in the chip for easy application to SoC applications. It can adjust the frequency and duty cycle through the external 3-bit control signal, The amplifier amplification time can be adjusted as needed.

상기 설명한 기법들이 적용된 SAR ADC에 대해 도면과 함께 자세히 설명하도록 한다.The SAR ADC to which the above-described techniques are applied will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프라인 ADC를 도시한 것이다.Figure 1 illustrates a pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 파이프라인 ADC는 첫 번째 단은 이중채널로 구현되는 두 개의 SAR ADC로 형성되고, 나머지 단은 단일채널로 구현되는 제 1 플래쉬(flash) ADC 및 제 2 플래쉬 ADC로 형성된다.The pipelined ADC according to an exemplary embodiment of the present invention includes a first flash ADC and a second flash ADC. The first and second flash ADCs are formed by two SAR ADCs, .

보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프라인 ADC의 전체 구조는 첫 번째 단 두 개의 4비트 SAR ADC, 하나의 공유 증폭기, 4비트 및 6비트 플래쉬(flash) ADC (제 1 플래쉬 ADC(flash1) 및 제 2 플래쉬 ADC(flash2)), MDAC 및 디지털 교정회로 (digital correction logic: DCL)로 구성되어 있으며, 그 외 기준전류 발생기, 두 종류의 전압 구동회로를 갖는 기준전압 발생기, 타이밍 회로와 클록 생성회로를 포함할 수 있다. More specifically, the entire structure of a pipelined ADC according to an embodiment of the present invention includes a first four-bit SAR ADC, a shared amplifier, a 4-bit and a 6-bit flash ADC (a first flash ADC flash1) and second flash ADC (flash2)), MDAC and digital correction logic (DCL), and the reference current generator, the reference voltage generator having two kinds of voltage driving circuits, the timing circuit And may include a clock generation circuit.

구성 블록 중 두 개의 4비트 SAR ADC는 40MS/s로 동작할 수 있으며, SAR 동작 시 사용되는 내부 클록으로는 40MHz 클록의 반주기 동안 4비트를 결정하기 위해 320MHz의 클록을 사용할 수 있으며 이 클록은 칩 내부에서 생성될 수 있다. 이와 같이 두 개의 SAR ADC에서 각각 생성된 40MS/s의 데이터는 DCL에서 80MS/s 데이터로 변환하여 처리하며, 플래쉬 ADC로 구성된 나머지 파이프라인 단의 경우에는 별도의 변환 없이 80MS/s로 동작할 수 있다.Two 4-bit SAR ADCs in the building block can operate at 40MS / s, and the internal clock used during SAR operation can use a 320MHz clock to determine 4 bits during a half-cycle of the 40MHz clock, Lt; / RTI > The 40 MS / s data generated by each of the two SAR ADCs is converted to 80 MS / s data from the DCL and processed at 80 MS / s without any conversion in the case of the remaining pipeline stages composed of flash ADCs have.

상기 제 1 플래쉬 ADC 및 제 2 플래쉬 ADC에는 인터폴레이션 기법을 적용하여 요구되는 프리앰프의 개수를 절반으로 줄일 수 있으며, 추가적으로 제 2 플래쉬 ADC의 경우에 최상위비트(most significant bit, MSB)를 먼저 결정한 뒤 하위 5비트를 결정하는 2단 기준전압 선택기법을 사용하여 요구되는 프리앰프 및 래치의 개수를 절반 수준으로 줄여 요구되는 전력 및 면적을 감소시킬 수 있다.The number of preamplifiers required can be reduced by half by applying the interpolation technique to the first and second flash ADCs. In addition, in the case of the second flash ADC, the most significant bit (MSB) is first determined By using a two-stage reference voltage selection technique that determines the low-order 5 bits, the number of preamplifiers and latches required can be reduced to half, thereby reducing the required power and area.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC의 주요 회로 블록의 타이밍을 도시한 것이다.Figure 2 shows the timing of the main circuit block of a pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC는 각 SAR ADC와 MDAC가 증폭기를 공유하고, 상기 증폭기는 상기 두 개의 SAR ADC 중 선택된 SAR ADC의 잔류전압 증폭과 MDAC의 잔류전압 증폭을 교대로 수행한다.A pipelined ADC according to an embodiment of the present invention shares an amplifier between each SAR ADC and MDAC, and the amplifier alternately performs the residual voltage amplification of the selected SAR ADC and the residual voltage amplification of the MDAC.

보다 구체적으로, 첫 번째 단 SAR ADC는 이중채널로 구현되어 클록의 반주기 내내 샘플링 및 홀딩을 함으로써 SAR ADC의 단점이었던 샘플링 및 홀딩 시간 부족으로 인한 신호 정착 시간의 부족 문제를 해결할 수 있다. 또한 공유된 증폭기의 경우 클록의 Q1 위상에서 항상 MDAC의 증폭기로 동작하고, Q2 위상에서는 잔류전압 증폭기로 동작함으로써 두 개의 SAR ADC 채널 간 부정합을 최소화할 수 있다. 상기 클록은 80MHz 클록을 이용할 수 있다.More specifically, the first stage SAR ADC is implemented in dual channels, which allows sampling and holding throughout the clock period to overcome the shortage of signal settling time due to lack of sampling and hold time, which is a disadvantage of SAR ADC. In the case of a shared amplifier, it can always operate as an MDAC amplifier in the Q1 phase of the clock and as a residual voltage amplifier in the Q2 phase, thereby minimizing the mismatch between the two SAR ADC channels. The clock may utilize an 80 MHz clock.

상기 각 SAR ADC는 클록의 반 주기 동안 샘플링을 수행하고, 다음 한 주기 동안 SAR 동작을 수행하며, 다음 반주기 동안 잔류전압 증폭을 수행하는 것을 반복하고, 상기 MDAC는 상기 클록의 반 주기 동안 샘플링을 수행하고, 다음 반 주기 동안 증폭을 수행하는 것을 반복하며, 상기 각 SAR ADC는 다른 SAR ADC가 상기 SAR 동작을 수행하는 한 주기 동안, 상기 샘플링 및 증폭을 수행할 수 있다.Each of the SAR ADCs performs sampling for half a period of the clock, performs a SAR operation for the next one period, and performs a residual voltage amplification for the next half period, and the MDAC performs sampling for half a period of the clock And repeats performing the amplification for the next half period, and each SAR ADC can perform the sampling and amplification for one period when another SAR ADC performs the SAR operation.

첫 번째 단 이중채널 SAR ADC에서는 각 채널이 Q1 위상마다 교대로 입력을 샘플링하고, SAR 동작을 통해 4비트의 디지털 코드로 변환한다. 이때 SAR ADC의 특성상 SAR 동작이 완료되면 자동적으로 잔류전압이 남게 되며, 이 값을 Q2 위상일 때 두 개의 채널이 교대로 잔류전압 증폭기를 통해 8배 증폭을 하여 두 번째 단의 제 1 플래쉬 ADC(flash1)와 MDAC에 전달한다. 이후 과정은 일반적인 파이프라인 ADC와 동일하게 처리되어 최종적으로 입력된 아날로그 신호에 대한 12비트 디지털 코드가 80MS/s 속도로 출력될 수 있다.In the first stage dual-channel SAR ADC, each channel samples the input alternately for every Q1 phase and converts it to a 4-bit digital code via SAR operation. At this time, due to the characteristics of the SAR ADC, when the SAR operation is completed, the residual voltage is automatically left. When this value is Q2 phase, the two channels are alternately amplified 8 times through the residual voltage amplifier, flash1) and MDAC. The subsequent process is performed in the same manner as a general pipelined ADC, so that a 12-bit digital code for the finally input analog signal can be output at a rate of 80 MS / s.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이중 채널의 SAR ADC와 공유 증폭기를 도시한 것이다.3 illustrates a dual-channel SAR ADC and a shared amplifier according to an embodiment of the present invention.

첫 번째 단에 사용된 SAR ADC는 충분한 샘플링 및 홀딩 시간을 확보하기 위해 도 3과 같이 이중채널로 설계하였으며, 채널 간 입력 샘플링 신호 부정합을 해결하기 위해 샘플링 클록을 하나의 기준 클록에 동기화하였다. 또한 기준 전압의 안정화를 위해 동작 모드에 따라 SAR 동작 시 사용하는 기준전압 (reft_sar, refc_sar)과 증폭 동작 시 사용하는 기준전압 (reft_mf, refc_mf)을 선택적으로 사용할 수 있다.The SAR ADC used in the first stage is designed as a dual channel as shown in Fig. 3 to ensure sufficient sampling and holding time, and the sampling clock is synchronized to one reference clock to solve the input sampling signal mismatch between channels. In order to stabilize the reference voltage, the reference voltage (reft_sar, refc_sar) used in the SAR operation and the reference voltage (reft_mf, refc_mf) used in the amplification operation can be selectively used according to the operation mode.

아날로그 입력 신호가 최초로 인가되는 SAR ADC의 입력 스위치의 경우, 채널 간 샘플링 부정합을 최소화하고 신호의 크기와 무관하게 왜곡 없이 아날로그 입력 신호를 샘플링하도록 gate-bootstrapping 스위치를 사용할 수 있다. 또한 파이프라인 구조를 사용함에 따라 SAR ADC에서는 4비트만 처리하게 되어 요구되는 단위 커패시터의 수가 고해상도를 처리하는 단일 SAR ADC에 비해 매우 적다. 이에 따라 무리하게 작은 단위 커패시터 대신 kT/C 노이즈를 고려하여 100fF 수준으로 충분히 큰 단위 커패시터를 사용함으로써 커패시터 부정합 및 기생 커패시턴스에 의한 성능 저하를 완화시킬 수 있다.For the input switch of the SAR ADC to which the analog input signal is first applied, a gate-bootstrapping switch can be used to minimize the interchannel sampling mismatch and sample the analog input signal without distortion, regardless of the signal size. Also, with the use of a pipelined architecture, the SAR ADC only processes 4 bits, so the number of required unit capacitors is very small compared to a single SAR ADC that handles high resolution. Accordingly, considering a kT / C noise in place of a small unit capacitor, it is possible to mitigate the performance degradation due to capacitor mismatching and parasitic capacitance by using a sufficiently large unit capacitor at a level of 100 fF.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC의 온 칩 클록 생성 회로를 도시한 것이다.4 illustrates an on-chip clock generation circuit of a pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC는 80MHz 클록의 반주기 동안 4비트를 결정하는 SAR 동작을 수행할 수 있으며, 이를 위해 320MHz의 고속 클록 신호가 요구된다. 이러한 320MHz 클록은 외부에서 인가되는 80MHz 메인 클록과의 동기화 및 SoC 응용의 용이성을 위해 도 4의 회로를 통해 내부적으로 생성될 수 있다. 이때 기준전압 샘플링 및 프리앰프 증폭 시간을 필요에 따라 조절하여 회로가 안정적으로 동작하도록 외부에서 3비트 디지털 신호로 클록의 주기 및 duty cycle을 조절할 수 있도록 할 수 있다.A pipelined ADC according to an embodiment of the present invention can perform a SAR operation for determining four bits during a half period of an 80 MHz clock, and a high-speed clock signal of 320 MHz is required for this purpose. This 320 MHz clock can be internally generated through the circuit of FIG. 4 for synchronization with an externally applied 80 MHz main clock and ease of SoC application. At this time, the reference voltage sampling and the preamplifier amplification time can be adjusted as needed so that the clock period and the duty cycle can be controlled from an external 3-bit digital signal so that the circuit operates stably.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC의 공유 증폭기를 도시한 것이다.5 illustrates a shared amplifier of a pipelined ADC according to an embodiment of the present invention.

상기 공유되는 증폭기의 두 개의 입력 단 중 하나의 입력 단은 상기 두 개의 SAR ADC가 공유하고, 나머지 입력 단은 MDAC에 연결된다. 상기 두 개의 SAR ADC가 사용하는 입력 단에 연결되는 SAR ADC 채널은 증폭기 외부의 CMOS 스위치에 의해 선택될 수 있고, 위상의 일부가 중첩되는 클록에 의해 선택될 수 있으며, 상기 두 개의 SAR ADC는 피드백 커패시터를 공유할 수 있다.One of the two input stages of the shared amplifier is shared by the two SAR ADCs, and the other input stage is connected to the MDAC. The SAR ADC channels connected to the inputs used by the two SAR ADCs may be selected by a CMOS switch external to the amplifier and a portion of the phase may be selected by an overlapping clock, Capacitors can be shared.

보다 구체적으로, 상기 공유되는 증폭기는 1Vp-p 이상의 출력 스윙 범위 및 높은 전압이득을 확보하면서 세 가지 동작 모드로 적절히 동작하기 위해 도 5와 같이 두 개의 입력 단을 갖는 2단 folded-cascode 구조를 사용한다. 이때, 세 가지 동작 모드는 각 SAR ADC의 잔류전압을 8배 증폭해주는 잔류전압 증폭기 및 MDAC에서 사용되는 증폭기로 구성될 수 있다. 첫 번째 단 잔류전압 증폭기와 두 번째 단 MDAC에서 사용되는 증폭기는 서로 요구되는 사양이 다르므로 정합성이 중요하지 않지만 두 개 SAR ADC 각 채널의 잔류전압 증폭기 간 부정합은 채널 간 부정합을 발생시키므로 성능저하의 원인이 된다. 첫 번째 단 SAR ADC와 같은 time-interleaving 구조에서 발생할 수 있는 증폭기 간 부정합에는 오프셋 및 이득 부정합이 있다.More specifically, the shared amplifier uses a two-stage folded-cascode structure having two input stages as shown in FIG. 5 to properly operate in three operation modes while ensuring an output swing range and a high voltage gain of 1 Vp-p or more do. At this time, the three operation modes can consist of a residual voltage amplifier that amplifies the residual voltage of each SAR ADC 8 times and an amplifier used in MDAC. Since the first stage residual voltage amplifier and the second stage MDAC have different specifications, the mismatch between the residual voltage amplifiers of the two SAR ADC channels causes channel mismatches. It causes. There are offset and gain mismatches in the amplifier mismatch that can occur in time-interleaving structures such as the first stage SAR ADC.

상기와 같은 부정합을 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC는 증폭기 공유 시 증폭기 입력 단까지 공유한다. 입력 단의 경우, 세 개의 증폭기를 공유함에 따라 증폭기에도 세 개의 입력 쌍이 요구되지만 각각을 별도로 사용할 경우에는 SAR ADC 각 채널에서 사용하는 증폭기 입력을 선택하기 위해 40MHz 클록 라인 및 스위치를 증폭기 내에 추가해야 하며, 입력 단마다 별도의 피드백 커패시터가 요구된다. 따라서 두 개의 입력 단을 각각 SAR ADC 및 MDAC에서 사용하며, SAR ADC에서 사용하는 입력 단은 두 채널이 하나를 사용하되 도 3과 같이 증폭기 외부의 CMOS 스위치로 각 채널을 선택할 수 있다. 이를 통해 증폭기 내에 별도의 회로가 추가되지 않으면서 피드백 커패시터도 두 채널이 공유할 수 있도록 하여 채널 간 발생할 수 있는 부정합을 최소화할 수 있다. 또한, 두 개의 입력 단을 선택할 때 위상의 일부가 중첩되는 클록을 사용함으로써 증폭기 입력 단이 완전히 꺼지는 것을 방지하여 증폭기가 안정적으로 동작하도록 할 수 있다.In order to solve such a mismatch, the pipelined ADC according to the embodiment of the present invention is shared to the amplifier input terminal when the amplifier is shared. For the input stage, sharing the three amplifiers requires three input pairs in the amplifier, but if each is used separately, a 40 MHz clock line and switch must be added in the amplifier to select the amplifier input used by each SAR ADC channel , A separate feedback capacitor is required for each input stage. Therefore, two input stages are used in the SAR ADC and MDAC, respectively. In the input stage used in the SAR ADC, two channels are used, and each channel can be selected by a CMOS switch external to the amplifier as shown in FIG. This allows the feedback capacitor to be shared by both channels without adding additional circuitry within the amplifier, thereby minimizing possible mismatch between channels. In addition, by using a clock in which a part of the phases are overlapped when selecting two input terminals, it is possible to prevent the amplifier input terminal from being completely turned off so that the amplifier can operate stably.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC의 기준전압 구동회로의 분리를 개념적으로 도시한 것이고, 도 7은 전압 구동회로가 분리된 기준전압 생성회로 및 기준전류 생성회로를 도시한 것이다.FIG. 6 conceptually shows separation of a reference voltage driving circuit of a pipelined ADC according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 illustrates a reference voltage generating circuit and a reference current generating circuit in which a voltage driving circuit is separated.

상기 SAR ADC의 SAR 동작시 사용되는 기준전압과 상기 증폭기의 증폭 동작시 사용되는 기준전압이 분리되어 있을 수 있으며, 상기 SAR 동작시 사용되는 기준전압과 상기 증폭 동작시 사용되는 기준전압은 기준전압 생성회로는 공유하고, 기준전압 구동회로는 분리될 수 있다.The reference voltage used in the SAR operation and the reference voltage used in the amplification operation of the amplifier may be separated from each other. The reference voltage used in the SAR operation and the reference voltage used in the amplification operation may be divided into a reference voltage The circuit is shared, and the reference voltage driving circuit can be separated.

보다 구체적으로, 내부적으로 고속 동작을 하는 SAR ADC 및 잔류전압 증폭기, 두 번째 단의 MDAC이 혼재되어 있으므로 일반적인 파이프라인 구조와 같이 동일한 기준전압을 사용할 경우, 도 6(a)와 같이 서로 다른 동작 모드가 중첩됨에 따라 기준전압 정착이 불안정할 수 있다. 잔류전압 증폭기의 증폭 동작 시 사용되는 기준전압의 경우, 80MHz 클록의 반주기 내에 12비트의 1/2 least significant bit (LSB) 이내로 신호 정착을 해야 한다. 그러나 동일한 타이밍에 SAR ADC에서는 SAR 동작을 하면서 발생하는 고속 스위칭 노이즈가 증폭 동작 시 사용되는 기준전압을 불안정하게 한다. 이를 해결하기 위해 도 6(b)와 같이 SAR 동작 시 사용하는 기준전압과 증폭 동작 시 사용하는 기준전압을 분리하여 상호 간섭을 방지할 수 있다. More specifically, since the SAR ADC and the residual voltage amplifier that internally operate at high speed and the MDAC of the second stage are mixed, when the same reference voltage is used as in the general pipeline structure, The reference voltage settling may become unstable. For the reference voltage used in the amplification operation of the residual voltage amplifier, the signal must be set within 12 bits of the 1/2 least significant bit (LSB) within the half period of the 80 MHz clock. However, at the same timing, the SAR ADC high-speed switching noise caused by the SAR operation makes the reference voltage used in the amplification operation unstable. 6 (b), the reference voltage used in the SAR operation and the reference voltage used in the amplification operation may be separated from each other to prevent mutual interference.

이때, 기준전압 간 부정합을 최소화하기 위해 도 7과 같이 기준전압 생성 회로까지는 공유하고 안정적인 신호 정착을 위해 사용하는 기준전압 구동회로만을 분리할 수 있다.In this case, in order to minimize the mismatch between the reference voltages, only the reference voltage driving circuit which is shared to the reference voltage generating circuit and used for stable signal fixing can be separated as shown in FIG.

한편, SAR 동작 시 사용하는 기준전압의 경우 요구되는 해상도는 4비트로 낮지만 320MHz 수준의 빠른 동작 속도로 인해 증폭 동작 시 사용되는 기준전압과는 전혀 다른 사양의 전압 구동회로가 요구된다. 이러한 상황을 고려하여 SAR 동작 시 사용하는 기준전압 구동회로에는 도 7과 같이 reft_sar 노드와 refc_sar 노드 사이에 별도의 커패시터를 추가하고 내부 RC 필터의 크기는 감소시켜 면적 및 전력 효율성을 향상시킬 수 있다.On the other hand, the required resolution for the reference voltage used in the SAR operation is as low as 4 bits, but due to the high operating speed of 320 MHz, a voltage driving circuit with a specification completely different from the reference voltage used in the amplification operation is required. Considering this situation, as shown in FIG. 7, a separate capacitor is added between the reft_sar node and the refc_sar node, and the size of the internal RC filter is reduced, thereby improving the area and power efficiency.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC가 칩 상에 구현된 것을 도시한 것이고, 도 9는 도 8의 ADC의 측정된 DNL 및 INL, 도 10은 도 8의 ADC의 측정된 FFT 스펙트럼, 도 11은 도 8의 ADC의 측정된 동적성능을 도시한 것이다.Figure 8 illustrates a pipelined ADC implemented on a chip according to an embodiment of the present invention, Figure 9 shows the measured DNL and INL of the ADC of Figure 8, Figure 10 shows the measured FFT spectrum of the ADC of Figure 8, , Figure 11 shows the measured dynamic performance of the ADC of Figure 8.

본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC는 12비트 80MS/s ADC는 0.11um CMOS 공정으로 제작되었으며, 1.1V의 단일 전원전압을 사용한다. 전체 칩 사진은 도 8과 같으며, 유휴 공간에는 기준전압 및 전원전압의 안정화를 위해 약 500pF 수준의 MOS decoupling 커패시터를 집적하였다.A pipelined ADC according to an embodiment of the present invention is a 12-bit 80 MS / s ADC manufactured in 0.11um CMOS process and uses a single power supply voltage of 1.1V. 8, and a MOS decoupling capacitor of about 500 pF was integrated in the idle space to stabilize the reference voltage and the power supply voltage.

전체 칩 면적은 1.34mm2이며, 80MS/s의 동작 속도에서 소모되는 전력은 20.9mW이다. 또한 측정된 differential non-linearity (DNL) 및 integral non-linearity (INL)는 도 9와 같이 각각 최대 0.56LSB, 1.35LSB 수준을 보이는 것을 알 수 있다.The total chip area is 1.34mm 2 , and the power consumed at an operating speed of 80MS / s is 20.9mW. Also, the measured differential non-linearity (DNL) and integral non-linearity (INL) are 0.56 LSB and 1.35 LSB, respectively, as shown in FIG.

도 10은 80MS/s 샘플링 속도에서 4MHz 입력 주파수가 인가되었을 때의 신호 스펙트럼을 나타내며, 측정 결과를 통해 채널 간 오프셋 및 이득 부정합으로 인한 성능 저하가 발생하지 않았음을 알 수 있다. 디지털 출력은 측정 시 고속 동작으로 인해 측정 기판에서 발생하는 노이즈의 영향을 최소화하기 위해 내부의 온-칩 분주기를 사용하여 다운 샘플링하였다. 이때 각 채널이 교대로 출력될 수 있도록 80MHz의 클록을 1/5로 분주하여 측정하였다.FIG. 10 shows a signal spectrum when a 4 MHz input frequency is applied at a sampling rate of 80 MS / s. From the measurement results, it can be seen that no performance degradation due to offset between channels and gain mismatch occurred. The digital output is downsampled using an internal on-chip divider to minimize the effects of noise on the measurement board due to high-speed operation during measurement. At this time, a clock of 80 MHz was divided by 1/5 so that each channel could be output alternately.

도 11은 도 8의 파이프라인 ADC의 샘플링 및 입력 주파수에 따라 측정된 동적 성능을 보여준다. 도 11(a)는 시제품 ADC의 동작 속도가 100MS/s까지 변화할 때, 4MHz의 주파수를 갖는 차동입력 신호를 인가함에 따라 측정된 signal-to-noise-and-distortion ratio (SNDR) 및 spurious-free dynamic range (SFDR)의 성능 변화를 나타내며, 80MS/s의 동작 속도에서 SNDR 및 SFDR은 각각 60.4dB 및 66.5dB를 나타낸다. 또한 도 11(b)는 80MS/s의 동작 속도에서 입력 주파수를 증가시킬 때의 SNDR 및 SFDR이며, Nyquist 주파수의 입력신호를 인가할 때 측정된 SNDR 및 SFDR은 각각 57.4dB 및 63.9dB를 나타낸다.Figure 11 shows the measured dynamic performance according to the sampling and input frequency of the pipelined ADC of Figure 8. Figure 11 (a) shows the signal-to-noise-and-distortion ratio (SNDR) and the spurious-noise ratio (SNDR) measured as a differential input signal with a frequency of 4 MHz is applied when the operating speed of the prototype ADC varies up to 100 MS / SNDR and SFDR are 60.4dB and 66.5dB, respectively, at an operating speed of 80MS / s. 11 (b) shows the SNDR and SFDR when the input frequency is increased at the operating speed of 80 MS / s. The SNDR and SFDR measured when the input signal of the Nyquist frequency is applied show 57.4 dB and 63.9 dB, respectively.

표 1에는 측정된 파이프라인 ADC의 성능을 요약하였으며, 표 2에는 파이프라인 ADC와 기존에 발표된 SAR ADC 및 SHA를 포함한 파이프라인 ADC의 성능을 비교하였다. 본 발명의 실시예에 따른 파이프라인 ADC는 기존의 고해상도 SAR ADC에 비해 높은 수준의 고속 동작이 가능하며, SHA를 포함한 파이프라인 ADC와 비교해도 소모되는 전력 측면에서 우수하고 별도의 SHA가 없이도 Nyquist 입력 조건에서 유사한 동적 성능을 보여준다.Table 1 summarizes the performance of the measured pipelined ADCs. Table 2 compares the performance of the pipelined ADCs with the previously announced SAR ADCs and SHAs. The pipelined ADC according to the embodiment of the present invention is capable of high-speed high-speed operation compared to the conventional high-resolution SAR ADC and is superior in terms of power consumed in comparison with the pipelined ADC including the SHA. Also, the Nyquist input Show similar dynamic performance in the conditions.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

본 발명의 일 실시예에 따른 모바일 디스플레이 시스템은 상기 파이프라인 ADC를 포함할 수 있다. 상기 파이프라인 ADC에 의해 RGB 신호를 포함한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 상기 모바일 디스플레이 시스템은 스마트폰과 같은 휴대용 전자기기에 사용될 수 있다.
The mobile display system according to an embodiment of the present invention may include the pipelined ADC. The pipeline ADC converts an analog signal including an RGB signal into a digital signal. The mobile display system can be used in portable electronic devices such as smart phones.

Claims (12)

첫 번째 단은 이중채널로 구현되는 두 개의 SAR ADC로 형성되고, 나머지 단은 단일채널로 구현되는 제 1 플래쉬(flash) ADC 및 제 2 플래쉬 ADC로 형성되는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.Wherein the first stage is formed by two SAR ADCs implemented as dual channels and the other stage is formed by a first flash ADC and a second flash ADC implemented as a single channel. 제 1 항에 있어서,
상기 각 SAR ADC와 MDAC가 증폭기를 공유하고,
상기 증폭기는 상기 두 개의 SAR ADC 중 선택된 SAR ADC의 잔류전압 증폭과 MDAC의 잔류전압 증폭을 교대로 수행하는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
The method according to claim 1,
Each SAR ADC and MDAC share an amplifier,
Wherein the amplifier alternately performs the residual voltage amplification of the selected SAR ADC and the residual voltage amplification of the MDAC of the two SAR ADCs.
제 2 항에 있어서,
상기 각 SAR ADC는 클록의 반 주기 동안 샘플링을 수행하고, 다음 한 주기 동안 SAR 동작을 수행하며, 다음 반주기 동안 잔류전압 증폭을 수행하는 것을 반복하고,
상기 MDAC는 상기 클록의 반 주기 동안 샘플링을 수행하고, 다음 반 주기 동안 증폭을 수행하는 것을 반복하며,
상기 각 SAR ADC는 다른 SAR ADC가 상기 SAR 동작을 수행하는 한 주기 동안, 상기 샘플링 및 증폭을 수행하는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
3. The method of claim 2,
Each of the SAR ADCs performs sampling for half a period of the clock, performs an SAR operation for the next one period, repeats performing the residual voltage amplification for the next half period,
The MDAC repeats sampling for half a period of the clock and performing amplification for the next half period,
Wherein each SAR ADC performs the sampling and amplification during one period when another SAR ADC performs the SAR operation.
제 2 항에 있어서,
상기 증폭기의 두 개의 입력 단 중 하나의 입력 단은 상기 두 개의 SAR ADC가 공유하고, 나머지 입력 단은 MDAC에 연결되는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
3. The method of claim 2,
Wherein one of the two input stages of the amplifier is shared by the two SAR ADCs and the other input stage is connected to the MDAC.
제 4 항에 있어서,
상기 두 개의 SAR ADC가 사용하는 입력 단에 연결되는 SAR ADC 채널은 증폭기 외부의 CMOS 스위치에 의해 선택되는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
5. The method of claim 4,
Wherein a SAR ADC channel coupled to an input stage used by the two SAR ADCs is selected by a CMOS switch external to the amplifier.
제 4 항에 있어서,
상기 두 개의 입력 단은 위상의 일부가 중첩되는 클록에 의해 선택되는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
5. The method of claim 4,
Wherein the two input stages are selected by a clock in which a portion of the phase is superimposed.
제 2 항에 있어서,
상기 두 개의 SAR ADC는 피드백 커패시터를 공유하는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
3. The method of claim 2,
Wherein the two SAR ADCs share a feedback capacitor.
제 2 항에 있어서,
상기 SAR ADC의 SAR 동작 시 사용되는 기준전압과 상기 증폭기의 잔류전압 증폭 동작 시 사용되는 기준전압이 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
3. The method of claim 2,
Wherein the reference voltage used in the SAR operation of the SAR ADC and the reference voltage used in the operation of amplifying the residual voltage of the amplifier are separated from each other.
제 8 항에 있어서,
상기 SAR 동작시 사용되는 기준전압과 상기 증폭 동작시 사용되는 기준전압은 기준전압 생성회로는 공유하고, 기준전압 구동회로는 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
9. The method of claim 8,
Wherein the reference voltage used in the SAR operation and the reference voltage used in the amplification operation are shared by the reference voltage generation circuit, and the reference voltage drive circuit is separated from the reference voltage generation circuit.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 플래쉬 및 제 2 플래쉬는 인터폴레이션 기법을 이용하여 프리앰프의 개수를 줄인 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
The method according to claim 1,
Wherein the first and second flashes reduce the number of preamplifiers using an interpolation technique.
제 1 항에 있어서,
상기 제 2 플래쉬 ADC는 최상위 비트를 먼저 결정하고, 하위 비트를 결정하는 2단계 구조로 구현되는 것을 특징으로 하는 파이프라인 ADC.
The method according to claim 1,
Wherein the second flash ADC is implemented in a two stage structure that first determines the most significant bit and determines the least significant bit.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 파이프라인 ADC를 포함하는 모바일 디스플레이 시스템.
A mobile display system comprising a pipelined ADC according to any one of claims 1 to 11.
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