KR20190095589A - 오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기에 관한 것으로, 입력 단자와 연결되어 MSB 신호부터 설정된 비트의 신호를 순차적으로 변환하는 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부, 상기 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부에서 변환한 이후 비트부터 LSB 신호까지 아날로그 신호로 변환하는 coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부, 및 상기 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 하단 커패시터가 공통전압에서 음성 기준 전압과 양성 기준 전압으로 각각 스위칭될 경우, 상기 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 하단 커패시터의 상기 음성 기준 전압을 양상 기준 전압으로 변환하여 인가하고 상기 양상 기준 전압을 음성 기준 전압으로 변환하여 인가하고, 상기 coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 하단 커패시터에 각각 공통전압을 인가하도록 스위칭하는 제어부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 특정 출력 패턴을 미리 감지하고 보정하여 동작 중 샘플링 스위치의 오작동을 방지할 수 있고, 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기의 전압 오버플로우 현상을 방지할 수 있다.

Description

오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기{BRIDGE CAPACITOR DIGITAL ANALOG CONVERTER FOR PREVENTING OVERFLOW}

본 발명은 오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기에 관한 것이다.

디지털 신호처리는 데이터 처리속도가 높고 환경 잡음에 둔감하기 때문에 아날로그 신호처리보다 유리하다. 하지만, 자연에 존재하는 대부분의 신호는 아날로그 형태이므로 집적회로에서 입력 받은 아날로그 신호를 디지털 신호에 변환할 필요가 있다.

아날로그 디지털 변환기(ADC: Analog Digital Converter)는 샘플링 속도와 해상도에 따라 파이프라인 아날로그 디지털 변환기, 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기, 플래시 아날로그 디지털 변환기, 델타 시그마 아날로그 디지털 변환기로 크게 분류할 수 있다. 이 중 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기는 전력 소모가 다른 구조에 비해 상대적으로 적지만 커패시터 디지털 변환기의 공정 변화에 따른 부정합과 비교기의 분해능 제한 때문에 해상도에 한계가 있다.

또한, 커패시터의 스위칭 에너지를 감소하기 위하여 브릿지 형태의 커패시터 디지털 아날로그 변환기 구조를 사용할 경우, fine 커패시터 디지털 아날로그 변환기의 변환 중 오버플로우 현상이 발생하였고, 이는 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기의 동작 중 샘플링 스위치의 오동작을 유발하는 문제가 있다.

본 발명은 특정 패턴을 미리 인식하여 브릿지 형태의 커패시터 디지털 아날로그 변환기 하단부의 스위치로 전달하는 오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기는 입력 단자와 연결되어 MSB 신호부터 설정된 비트의 신호를 순차적으로 변환하는 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부, 상기 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부에서 변환한 이후 비트부터 LSB 신호까지 아날로그 신호로 변환하는 coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부, 상기 coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 변환 신호를 비교하는 비교기, 및및 상기 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 하단 커패시터가 공통전압에서 음성 기준 전압과 양성 기준 전압으로 각각 스위칭될 경우, 상기 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 하단 커패시터의 상기 음성 기준 전압을 양상 기준 전압으로 변환하여 인가하고 상기 양상 기준 전압을 음성 기준 전압으로 변환하여 인가하고, 상기 coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 하단 커패시터에 각각 공통전압을 인가하도록 스위칭하는 제어부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 특정 출력 패턴을 미리 감지하고 보정하여 동작 중 샘플링 스위치의 오작동을 방지할 수 있고, 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기의 전압 오버플로우 현상을 방지할 수 있다.

도 1은 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기 구조를 7bit로 변환하는 경우의 블록도이다.
도 2는 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기에서 10bit의 디지털 신호로 변환하는 경우 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환기에서 전압 오버플로우가 발생하는 구간을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기에서 전압 오버플로우 발생시 coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환기와 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환기가 모두 스위칭 함으로서 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환기의 전압 오버플로우를 방지하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기의 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 전압 변화를 보여주는 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기 구조를 7bit로 변환하는 경우의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기는 두 개의 비교기(COMP1, COMP2), 부트 스트래핑 스위치 쌍(B,S), 및 다수의 차동 커패시터 어레이를 포함하여 구성될 수 있다. N 비트 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기는 아날로그 신호를 N 비트로 변환할 수 있다. 이때, N은 자연수를 의미한다. 이하, 7bit 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.

두 개의 비교기(COMP1, COMP2)는 차동 입력 신호의 크기를 비교하고, 부트 스트래핑 스위치 쌍(B,S)은 입력 신호를 샘플링할 수 있다.

다수의 차동 커패시터 어레이는 7bit 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기에서는 6bit 차동 커패시터 어레이가 구비되어야 하며, 신호 비트수에 따라 차동 커패시터 어레이의 개수는 변경될 수 있다.

본 발명에 따른 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기는 동기식 모드를 따르기 때문에 외부에서 샘플링 속도 이상의 주파수를 가진 클록을 필요로 한다.

도 2는 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기에서 10bit의 디지털 신호로 변환하는 경우 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환기에서 전압 오버플로우가 발생하는 구간을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 0001xxxx, 00101xxxxx, 00011xxxxx, 00111xxxxx, 010011xxxx, 010111xxxx에서 전압 오버플로우 현상이 발생하는 것을 알 수 있다. 여기서, x에는 0 또는 1이 올 수 있다. 즉, 0001xxxx, 00101xxxxx, 00011xxxxx, 00111xxxxx, 010011xxxx, 010111xxxx에서는 전원 전압 이상 접지 전압 이하로 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 전압이 변경되는 것을 아래 도 4를 통해 확인할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기에서 전압 오버플로우 발생시 coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부와 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부를 모두 스위칭 함으로서 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 전압 오버플로우를 방지하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부는 비교기와 연결된 다수의 커패시터 어레이를 나타내고, fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부는 입력 단자와 연결된 다수의 커패시터 어레이를 나타낸다. fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부는 MSB 신호부터 설정된 비트를 변환하고, coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부 설정된 비트부터 LSB 신호를 아날로그 신호로 변환할 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기는 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부(10), coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부(20), 비교기(30), 및 제어부(미도시)를 포함하여 구성된다.

fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부(10)는 입력 단자와 연결되어 MSB 신호부터 설정된 비트의 신호를 순차적으로 변환하고, coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부(20)는 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부(10)에서 변환한 이후 비트부터 LSB 신호까지 아날로그 신호로 변환한다.

비교기(30)는 oarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부(20)에서 변환되어 전달된 신호를 비교한다.

제어부(미도시)는 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부(10)의 하단 커패시터(Ef)가 공통전압에서 음성 기준 전압과 양성 기준 전압으로 각각 스위칭될 경우, fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부(10)의 하단 커패시터(Ef)의 음성 기준 전압을 양상 기준 전압으로 변환하여 인가하고 양상 기준 전압을 음성 기준 전압으로 변환하여 인가하고, coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부(20)의 하단 커패시터(Ec)에 각각 공통전압을 인가하도록 스위칭하여 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부(10)의 오버플로우를 방지할 수 있다. 즉, 제어부는 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부(10)에서 오버플로우 발생시, fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부(10)와 coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부(20)를 모두 스위칭함으로써 오버플로우를 방지할 수 있다.

구체적으로, initial state에서 양성 입력이 음성 입력보다 큰 경우를 가정하면, conventional 구조에서는 파랗게 표시된 부분의 커패시터 하단부가 공통전압(CM)에서 각각 음성 기준 전압(RN)과 양성 기준 전압(RP)으로 변하게 된다. 하지만 이렇게 스위칭 될 경우, fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부에서 전압 오버플로우 현상이 발생하여 접지 전압보다 작아지거나 전원 전압보다 커지는 현상이 발생한다. 각각의 경우 모두 샘플링 스위치를 동작시키는 상태가 존재하게 되고 이는 커패시터 디지털 아날로그 변환부에 저장된 전하를 방전하도록 유도하는 문제가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기는 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부 하단의 기준 전압 연결 방향을 정 반대로 구현(RN->RP, RP->RN)하는 동시에 coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 하단의 기준 전압을 공통 전압으로 바꾸어 인가(RP->CM, RN->CM)함으로써 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 전압 오버플로우를 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기의 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 전압 변화를 보여주는 그래프이다.

파란색 그래프는 축차 비교형 아날로그 디지털 변환기의 전압 변화 특성이고, 빨간색 그래프는 발명의 일 실시예에 따른 오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기를 사용하는 경우의 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 전압 변화 시뮬레이션 결과이다. 빨간색 그래프의 경우 접지 전압 또는 전원 전압의 범위를 벗어나지 않도록 보정되어 있는 것을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부
20: coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부
30: 비교기
Ef: fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 하단 커패시터
Ec: coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 하단 커패시터

Claims (1)

1. 입력 단자와 연결되어 MSB 신호부터 설정된 비트의 신호를 순차적으로 변환하는 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부;
   상기 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부에서 변환한 이후 비트부터 LSB 신호까지 아날로그 신호로 변환하는 coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부;
   상기 coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 변환 신호를 비교하는 비교기; 및
   상기 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 하단 커패시터가 공통전압에서 음성 기준 전압과 양성 기준 전압으로 각각 스위칭될 경우, 상기 fine 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 하단 커패시터의 상기 음성 기준 전압을 양상 기준 전압으로 변환하여 인가하고 상기 양상 기준 전압을 음성 기준 전압으로 변환하여 인가하고, 상기 coarse 커패시터 디지털 아날로그 변환부의 하단 커패시터에 각각 공통전압을 인가하도록 스위칭하는 제어부;
   를 포함하는 오버플로우 방지를 위한 브릿지 커패시터 디지털 아날로그 변환기.
   

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