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KR100766073B1 - Multi-bit Sigma Delta Modulator with One DAC Capacitor and Digital-Analog Convertor for Multi-bit Sigma Delta Modulator - Google Patents

Multi-bit Sigma Delta Modulator with One DAC Capacitor and Digital-Analog Convertor for Multi-bit Sigma Delta Modulator Download PDF

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Publication number
KR100766073B1
KR100766073B1 KR1020060050320A KR20060050320A KR100766073B1 KR 100766073 B1 KR100766073 B1 KR 100766073B1 KR 1020060050320 A KR1020060050320 A KR 1020060050320A KR 20060050320 A KR20060050320 A KR 20060050320A KR 100766073 B1 KR100766073 B1 KR 100766073B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reference voltage
sigma delta
delta modulator
digital
capacitor
Prior art date
Application number
KR1020060050320A
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Korean (ko)
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KR20070059857A (en
Inventor
김이경
권종기
김종대
조민형
이승철
김규현
Original Assignee
한국전자통신연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자통신연구원 filed Critical 한국전자통신연구원
Priority to US11/588,455 priority Critical patent/US7388533B2/en
Publication of KR20070059857A publication Critical patent/KR20070059857A/en
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M3/00Conversion of analogue values to or from differential modulation
    • H03M3/30Delta-sigma modulation
    • H03M3/50Digital/analogue converters using delta-sigma modulation as an intermediate step

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)

Abstract

본 발명은 시그마 델타 변조기 및 시그마 델타 변조기의 디지털-아날로그 변환기에 관한 것으로, 특히 OP 앰프를 이용한 스위치드 캐패시터 구조에 적용되어 단일 입출력시 1개 캐패시터를 제안한 스위칭 기법을 이용하여 3개 레벨을 초과하는 디지털-아날로그 변환기를 구현함으로써 디지털-아날로그 변환기의 캐패시터 부정합에 의한 비선형특성을 제거하고 캐패시터 대비 디지털-아날로그 변환기의 출력 레벨 개수의 확장을 목적으로 한다. 또한 디지털-아날로그 변환기용 캐패시터를 확장함으로써 일반 디지털-아날로그 변환기를 적용하여 캐패시터 대비 디지털-아날로그 변환기의 출력 레벨수를 확장할 수 있다.The present invention relates to a sigma delta modulator and a digital-to-analog converter of a sigma delta modulator. In particular, the present invention is applied to a switched capacitor structure using an op amp, and digitally exceeds three levels by using a switching technique that proposes one capacitor for a single input / output. By implementing the analog converter, it is intended to eliminate the nonlinear characteristics caused by the capacitor mismatch of the digital-to-analog converter and to expand the number of output levels of the digital-to-analog converter relative to the capacitor. In addition, by extending the capacitor for the digital-to-analog converter, a general digital-to-analog converter can be applied to extend the number of output levels of the digital-to-analog converter compared to the capacitor.

시그마 델타 변조기, 스위치드 캐패시터 구조, DAC Sigma Delta Modulator, Switched Capacitor Architecture, DAC

Description

단일 DAC 캐패시터를 이용한 멀티 비트 시그마 델타 변조기 및 디지털 아날로그 변환기{Multi-bit Sigma Delta Modulator with One DAC Capacitor and Digital-Analog Convertor for Multi-bit Sigma Delta Modulator}Multi-bit Sigma Delta Modulator with One DAC Capacitor and Digital-Analog Convertor for Multi-bit Sigma Delta Modulator

도 1a는 일반적인 시그마 델타 변조기의 개략적인 블록도이다.1A is a schematic block diagram of a typical sigma delta modulator.

도 1b는 도 1a의 시그마 델타 변조기의 선형화 모델이다.FIG. 1B is a linearization model of the sigma delta modulator of FIG. 1A.

도 2는 종래 기술의 멀티 비트 DAC 기능을 포함한 적분기를 나타내는 회로도이다.2 is a circuit diagram showing an integrator with a multi-bit DAC function of the prior art.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 1차 시그마 델타 변조기의 블록도이다.3 is a block diagram of a first order sigma delta modulator in accordance with an embodiment of the present invention.

도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 1차 시그마 델타 변조기 내의 적분기와 OP 앰프를 공유하는 디지털 아날로그 변환기를 설명하기 위한 회로도이다.4A is a circuit diagram illustrating a digital-to-analog converter sharing an op amp with an integrator in a primary sigma delta modulator according to an embodiment of the present invention.

도 4b는 도 4a의 1차 시그마 델타 변조기의 동작을 설명하기 위한 클럭 파형도이다.FIG. 4B is a clock waveform diagram for describing an operation of the primary sigma delta modulator of FIG. 4A.

도 5는 5-레벨 ADC/DAC로 구성된 2차 시그마 델타 변조기의 블록도이다.5 is a block diagram of a second sigma delta modulator configured with a five-level ADC / DAC.

도 6a는 5-레벨 2차 시그마 델타 변조기의 이상적인 모의실험 결과를 나타내는 그래프이다.6A is a graph showing an ideal simulation result of a 5-level secondary sigma delta modulator.

도 6b는 이상적인 적분기와 0.2% 캐패시터 부정합을 가지는 DAC가 적용된 5-레벨 2차 시그마 델타 변조기의 Hspice 모의실험 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 6B is a graph showing the results of a Hspice simulation of a five-level secondary sigma delta modulator with a DAC with an ideal integrator and 0.2% capacitor mismatch.

도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 0.2% 캐패시터 부정합이 적용된 5-레벨 2차 시그마 델타 변조기의 Hspice 모의실험 결과를 나타내는 그래프이다.FIG. 6C is a graph showing a Hspice simulation result of a 5-level secondary sigma delta modulator applied with 0.2% capacitor mismatch according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

21 : 연산증폭기21: operational amplifier

22 : 샘플링 캐패시터22: sampling capacitor

23 : 적분용 캐패시터23: integral capacitor

24 : DAC 캐패시터24: DAC Capacitor

25 : 스위치25: switch

28 : 스위칭 제어부28: switching control

본 발명은 시그마 델타 변조기(Sigma delta modulator)에 관한 것으로, 특히 단일 입출력시 1개의 캐패시터로 5-레벨 출력을 구현할 수 있는 멀티 비트 시그마 델타 변조기 및 시그마 델타 변조기의 디지털 아날로그 변환기에 관한 것이다. 본 발명의 디지털 아날로그 변환기는 차동 동작으로의 확장도 가능하다. 이하의 명세서의 설명에서는 설명의 편의를 위하여 단일 입출력 구성으로 설명한다.The present invention relates to a sigma delta modulator, and more particularly, to a digital-to-analog converter of a multi-bit sigma delta modulator and a sigma delta modulator capable of implementing a five-level output with one capacitor at a single input and output. The digital analog converter of the present invention can also be extended to differential operation. In the following description, for the convenience of description, the description will be made with a single input / output configuration.

일반적으로 시그마 델타 변조기는 입력 아날로그 신호와 ADC 코드에 따른 디지털 아날로그 변환기(DAC)의 출력 신호 차의 적분 기능을 하는 적분기와 이 적분기의 아날로그 출력을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 2개 의 블록으로 구성되어 있다.In general, sigma delta modulators are an integrator that functions as an integral of the difference between the input analog signal and the output signal of the digital-to-analog converter (DAC) according to the ADC code and the analog-to-digital converter (ADC) that converts the analog output of this integrator into a digital signal. It consists of two blocks.

도 1a는 일반적인 1차 시그마 델타 변조기의 블록도이고, 도 1b는 도 1a의 1차 시그마 델타 변조기를 회로 해석을 위한 소신호 선형 모델로 도시한 도면이다.FIG. 1A is a block diagram of a typical first order sigma delta modulator, and FIG. 1B is a view of the first order sigma delta modulator of FIG. 1A as a small signal linear model for circuit analysis.

도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 일반적인 1차 시그마 델타 변조기는 부궤환(negative feedback)으로 구성되며, 1차 시그마 델타 변조기의 ADC는 양자화 잡음이 더해지는 모델로 대치될 수 있다. 도 1b의 선형화 모델을 이용하여 일반적인 1차 시그마 델타 변조기를 해석하면 출력(Vout)은 수학식 1과 같다.As shown in FIGS. 1A and 1B, a typical first order sigma delta modulator is configured with negative feedback, and the ADC of the first order sigma delta modulator may be replaced by a model in which quantization noise is added. When the general first order sigma delta modulator is analyzed using the linearization model of FIG.

Figure 112006039559832-pat00001
Figure 112006039559832-pat00001

수학식 1에서 알 수 있듯이, 출력(Vout)은 입력(Vin)에 대해서는 저역 통과 특성을 나타내고, 양자화 잡음(e)에 대해서는 고역 통과 특성을 나타낸다. 그러므로 시그마 델타 변조기의 출력에 저역통과 필터를 사용하면 양자화 잡음이 매우 낮은 출력을 얻을 수 있고, 따라서 높은 SNR 특성을 얻을 수 있다.As can be seen from Equation 1, the output Vout exhibits a low pass characteristic for the input Vin and a high pass characteristic for the quantization noise e. Therefore, using a lowpass filter on the output of a sigma delta modulator results in an output with very low quantization noise and thus high SNR.

전술한 특징을 갖는 시그마 델타 변조기의 신호대 양자화 잡음비(SNR)는 변조기의 차수로 표시될 수 있는 적분기의 개수(L), ADC의 비트수(B), 그리고 샘플링 주파수와 신호주파수 범위의 비인 오버샘플링 비(M)에 의해 결정된다. 최대 SNR은 수학식 2와 같다.The signal-to-quantization noise ratio (SNR) of a sigma delta modulator with the above characteristics is the number of integrators (L) that can be expressed in the order of the modulator, the number of bits of the ADC (B), and the oversampling ratio of the sampling frequency and signal frequency range. Determined by the ratio (M). The maximum SNR is shown in Equation 2.

Figure 112006039559832-pat00002
Figure 112006039559832-pat00002

수학식 2에서 알 수 있듯이, SNR을 높이기 위해서는 차수를 높이거나, ADC 비트수를 높이거나, 오버샘플링 비를 높여야 한다.As can be seen from Equation 2, to increase the SNR, the order, the number of ADC bits, or the oversampling ratio must be increased.

하지만 차수를 높이는 방법은 안정성 문제와 함께 사용가능한 신호범위의 축소라는 단점이 있다. 그리고 오버샘플링 비를 높이는 방법은 샘플링 주파수가 높아져야 하므로 회로가 고속 동작을 해야 한다는 단점이 있다. 전술한 2가지 방법은 저전압 고속 시그마 델타 변조기에는 적합하지 않다.However, the method of increasing the order has the disadvantage of reducing the usable signal range with stability problems. In addition, the method of increasing the oversampling ratio has a disadvantage in that the circuit must operate at high speed because the sampling frequency must be high. The two methods described above are not suitable for low voltage high speed sigma delta modulators.

한편 고해상도의 고속 저전압 시그마 델타 변조기에서는 ADC의 비트수를 높이는 것이 유리하다. 하지만 ADC의 비트수를 높이는 경우, 시그마 델타 변조기의 성능이 부궤환(negative feedback) 루프 속에 있는 DAC의 선형 특성에 직접적인 영향을 받는다는 단점이 있다.On the other hand, high-speed, low-voltage sigma delta modulators are advantageous for increasing the number of bits in the ADC. However, increasing the number of bits in the ADC has the disadvantage that the performance of the sigma delta modulator is directly affected by the linear characteristics of the DAC in the negative feedback loop.

도 2는 일반적으로 많이 이용되는 스위치드 캐패시터 형태의 적분기로 B비트의 DAC기능을 겸하고 있다. 도 2에서 DAC 선형 특성은 DAC 캐패시터(10)의 부정합에 의해 직접적인 영향을 받는다. 캐패시터들(11, 12)의 부정합은 공정 특성에 의해 결정되어 부정합 특성 향상에 제한이 있다. 그러므로 고해상도 시그마 델타 변조기의 성능이 캐패시터 부정합에 의한 성능저하로 제한될 수 있다.2 is a commonly used switched capacitor type integrator, which also functions as a B-bit DAC. In FIG. 2, the DAC linear characteristic is directly affected by mismatch of the DAC capacitor 10. The mismatch of the capacitors 11 and 12 is determined by the process characteristics, which limits the mismatch characteristics. Therefore, the performance of high resolution sigma delta modulators can be limited by performance degradation due to capacitor mismatch.

이러한 DAC 캐패시터 부정합 문제를 해결하기 위해 Random Averaging, Clocked Averaging(CLA), Individual Level Averaging(ILA), Data Weighted Averaging(DWA) 등의 기법들이 소개되었다. 하지만 이 기법들은 복잡하고 많은 디지털 회로가 필요하다는 점과 특정 조건에서 DAC의 성능이 나빠지는 단점을 가지고 있다.To solve the DAC capacitor mismatch problem, techniques such as Random Averaging, Clocked Averaging (CLA), Individual Level Averaging (ILA), and Data Weighted Averaging (DWA) have been introduced. However, these techniques have the disadvantages of requiring a large number of complex digital circuits and degrading the performance of the DAC under certain conditions.

본 발명의 목적은 단일 입출력시 1개의 캐패시터로 멀티 비트 DAC 동작을 효율적으로 구현함으로써 DAC 캐패시터 부정합 문제가 발생하지 않는 디지털 아날로그 변환기를 구현할 수 있는 회로를 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a circuit capable of implementing a digital-to-analog converter that does not cause a DAC capacitor mismatch problem by efficiently implementing a multi-bit DAC operation with one capacitor at a single input and output.

본 발명의 또다른 목적은 전술한 디지털 아날로그 변환기를 이용하는 멀티 비트 시그마 델타 변조기를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a multi-bit sigma delta modulator using the above-described digital analog converter.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 두 위상을 이용하는 스위치드 캐패시터 구조의 하나의 DAC 캐패시터; 및 DAC 동작을 위해 두 위상이 전환될 때 극성이 다른 기준 전압이 DAC 캐패시터에 연결되도록 동작하는 스위치를 포함하는 디지털 아날로그 변환기가 제공된다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, one DAC capacitor of the switched capacitor structure using two phases; And a switch operable to connect a reference voltage of different polarity to the DAC capacitor when the two phases are switched for DAC operation.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 입력 아날로그 신호와 전술한 디지털 아날로그 변환기의 출력 신호 차의 적분 기능을 하는 적분기; 및 이 적분기의 아날로그 출력을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 멀티 비트 시그마 델타 변조기가 제공된다.According to another aspect of the present invention, an integrator that functions to integrate the difference between the input analog signal and the output signal of the aforementioned digital analog converter; And an analog-to-digital converter for converting the analog output of the integrator into a digital signal and outputting the multi-bit sigma delta modulator.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 본 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 충분히 이해하도록 하기 위한 것이다. 이하의 상세한 설명은 단일 입출력 형태로 설명하나 통상적으로 쓰이는 차동구조로의 확장도 가능하다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following examples are provided to fully understand the present invention for those skilled in the art. The following detailed description will be given in the form of a single input and output, but it is also possible to extend to a commonly used differential structure.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 1차 시그마 델타 변조기의 블록도이다. 도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 1차 시그마 델타 변조기 내의 적분기와 OP 앰프를 공유하는 디지털 아날로그 변환기(DAC) 즉, 시그마 델타 변조기의 적분기 및 이 적분기에 채용된 디지털 아날로그 변환기를 설명하기 위한 회로도이다. 도 4b는 도 4a의 시그마 델타 변조기의 동작을 설명하기 위한 클럭 파형도이다.3 is a block diagram of a first order sigma delta modulator in accordance with an embodiment of the present invention. 4A is a circuit diagram illustrating an integrator of a digital analog converter (DAC), i.e., an sigma delta modulator, and an integrator in the first sigma delta modulator according to an embodiment of the present invention, and the digital analog converter employed in the integrator. to be. 4B is a clock waveform diagram illustrating the operation of the sigma delta modulator of FIG. 4A.

본 발명에 따른 디지털 아날로그 변환기는 일반적인 시그마 델타 변조기 내에서 적분기와 OP 앰프를 공유하여 구성된다. 즉, 그것을 1차 시스템으로 나타내면 도 3과 같은 블록도로 도시될 수 있다. 도 3에서 A는 입력 신호(Vin)의 적분 기능을 담당할 뿐 아니라 DAC 기능도 겸하고 있다. 도 3의 1차 시스템을 보다 구체적으로 나타내면 도 4a의 회로도와 같다.The digital-to-analog converter according to the present invention is constructed by sharing an op amp with an integrator in a typical sigma delta modulator. In other words, it can be shown as a block diagram as shown in FIG. In FIG. 3, A not only plays an integral function of the input signal Vin but also serves a DAC function. More specifically, the primary system of FIG. 3 is the circuit diagram of FIG. 4A.

도 4a에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 시그마 델타 변조기는 연산증폭기(21), 샘플링 캐패시터(Cin; 22), 적분용 캐패시터(Cint; 23), DAC 캐패시터(Cdac; 24), 스위치(25, 26, 27) 및 스위칭 제어부(SC; 28)를 포함한다.As shown in FIG. 4A, the sigma delta modulator according to the present invention includes an operational amplifier 21, a sampling capacitor Cin 22, an integrating capacitor Cint 23, a DAC capacitor Cdac 24, and a switch 25. 26, 27 and a switching control unit SC 28.

샘플링 캐패시터(22)는 제1 스위치(26)와 연산증폭기(21)의 입력단자 사이에 연결되며, 제1 스위치(26)는 연산증폭기(21)의 입력단자와 접지 사이에 연결되고, 제2 스위치(27)는 입력(IN)과 샘플링 캐패시터(22) 사이에 연결된다.The sampling capacitor 22 is connected between the first switch 26 and the input terminal of the operational amplifier 21, the first switch 26 is connected between the input terminal of the operational amplifier 21 and ground, and the second The switch 27 is connected between the input IN and the sampling capacitor 22.

적분용 캐패시터(23)는 연산증폭기(21)의 출력(OUT)과 입력단자를 연결하여 부궤환 루프를 구성하도록 연결된다. DAC 캐패시터(24)는 DAC용 스위치(25)와 연산증폭기(21)의 입력단자 사이에 연결된다.The integrating capacitor 23 is connected to configure the negative feedback loop by connecting the output OUT and the input terminal of the operational amplifier 21. The DAC capacitor 24 is connected between the DAC switch 25 and the input terminal of the operational amplifier 21.

DAC용 스위치(25)는 스위치드 캐패시터 구조의 DAC가 원하는 동작을 수행할 수 있도록 기준 전압(Vrefp, Vcm, Vrefn)이 DAC 캐패시터(24)에 연결하도록 동작한다. 스위칭 제어부(28)는 변조기의 ADC 출력 코드에 상응하여 제어 신호를 발생시키며 발생된 제어 신호로 DAC용 스위치(25)의 동작을 제어한다.The switch 25 for the DAC operates to connect the reference voltages Vrefp, Vcm, and Vrefn to the DAC capacitor 24 so that the DAC of the switched capacitor structure can perform a desired operation. The switching control unit 28 generates a control signal corresponding to the ADC output code of the modulator and controls the operation of the switch 25 for the DAC with the generated control signal.

본 발명의 실시예에 따른 시그마 델타 변조기의 동작을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the sigma delta modulator according to an embodiment of the present invention.

도 4a의 스위치(27)은 클럭 신호 P1D가 하이 레벨 또는 '1'일 때 온 되고, 스위치(26)은 P1이 하이 레벨 또는 '1'일 때 온 된다. 스위치(25)는 클럭 신호 P1D, P2D와 ADC 코드를 이용한 로직회로에 의해 제어된다. 상기 스위칭 동작에 따라 입력 아날로그 신호(IN)는 도 4b에 도시한 바와 같이 샘플링 위상 구간(Sp)에서 샘플링 캐패시터(22)에 샘플링되고, 적분 위상 구간(Ip)에서 적분 캐패시터(23)에 충전되어 있는 이전 적분기 출력과 더해져서 적분된다.The switch 27 of FIG. 4A is turned on when the clock signal P1D is high level or '1', and the switch 26 is turned on when P1 is high level or '1'. The switch 25 is controlled by a logic circuit using clock signals P1D, P2D and ADC code. In accordance with the switching operation, the input analog signal IN is sampled in the sampling capacitor 22 in the sampling phase section Sp as shown in FIG. 4B, and is charged in the integration capacitor 23 in the integral phase section Ip. Integrate with the previous integrator output.

본 발명에 따른 DAC의 동작은 1개의 위상만을 이용하는 기존의 방법과는 달리 2개의 위상을 이용하여 구현된다. 즉, 샘플링 위상에서 ADC 코드에 따른 기준 전압을 샘플링하고 적분 위상에서 ADC 코드에 따른 기준 전압에 연결됨으로써 DAC 동작을 한다. ADC 코드에 따라 DAC 캐패시터(24)에 연결되는 기준 전압과 적분 캐패시터로 전달되는 전하량은 표 1과 같다.The operation of the DAC according to the present invention is implemented using two phases, unlike the conventional method using only one phase. That is, the DAC is operated by sampling the reference voltage according to the ADC code in the sampling phase and being connected to the reference voltage according to the ADC code in the integrated phase. Table 1 shows the reference voltage connected to the DAC capacitor 24 and the amount of charge transferred to the integrating capacitor according to the ADC code.

ADC CODEADC CODE P1P1 P2P2 전달전하량Transfer charge 44 VrefnVrefn VrefpVrefp Cdac*(Vrefn-Vrefp) = -2*Cdac*Vref+Cdac * (Vrefn-Vrefp) = -2 * Cdac * Vref + 33 VcmVcm VrefpVrefp Cdac*(Vcm-Vrefp) = -1*Cdac*Vref+Cdac * (Vcm-Vrefp) = -1 * Cdac * Vref + 22 VcmVcm VcmVcm Cdac*(Vcm-Vcm)=0Cdac * (Vcm-Vcm) = 0 1One VcmVcm VrefnVrefn Cdac*(Vcm-Vrefn) = +1*Cdac*Vref+Cdac * (Vcm-Vrefn) = + 1 * Cdac * Vref + 00 VrefpVrefp VrefnVrefn Cdac*(Vrefp-Vrefn) = +2*Cdac*Vref+Cdac * (Vrefp-Vrefn) = + 2 * Cdac * Vref +

한편, 본 실시예에 따른 시그마 델타 변조기에 아래의 수학식 3와 같은 조건이 적용된다면 그 출력(OUT)은 수학식 4와 같이 된다.On the other hand, if a condition as shown in Equation 3 below is applied to the sigma delta modulator according to the present embodiment, the output OUT becomes as shown in Equation 4.

Figure 112006039559832-pat00003
Figure 112006039559832-pat00003

Figure 112006039559832-pat00004
Figure 112006039559832-pat00004

수학식 4에서 알 수 있듯이, (Cdac/Cint)*D*Vrefp 부분이 D에 따라 5개 레벨을 가지는 DAC와 같은 역할을 한다. 즉, 1개의 DAC 캐패시터(24)를 이용하여 5개의 레벨을 가지는 DAC를 구현한 형태가 된다. 이와 같이 1개의 DAC 캐패시터(24)만을 이용함으로써 DAC 캐패시터들의 부정합에 따른 시그마 델타 변조기 성능 저하가 없고, 회로도 매우 간단하게 구성될 수 있다.As can be seen in Equation 4, the (Cdac / Cint) * D * Vrefp part functions as a DAC having five levels according to D. That is, a DAC having five levels is implemented by using one DAC capacitor 24. As such, by using only one DAC capacitor 24, there is no degradation of the sigma delta modulator due to mismatching of the DAC capacitors, and the circuit can be configured very simply.

한편, 도 4a와 같이 시그마 델타 변조기가 단일 입출력 구성인 경우, 수학식 3의 조건이 만족되지 않아 DAC 비선형성이 발생할 수 있으나, 회로가 완전 차동으로 구성되면 아래의 표 2와 같은 전하가 적분 캐패시터(23)에 전달되고 극성이 다른 두 기준 전압의 차(Vrefp-Vrefn)의 정수 배 형태로 나타나므로 기준 전압에 의한 비선형 특성도 사라지게 된다.On the other hand, when the sigma delta modulator is a single input and output configuration as shown in Figure 4a, DAC nonlinearity may occur because the condition of Equation 3 is not satisfied, but when the circuit is configured to be fully differential, the charge as shown in Table 2 below integrated capacitor The nonlinear characteristic caused by the reference voltage is also lost because it appears as an integer multiple of the difference between the two reference voltages (Vrefp-Vrefn) which are transmitted to (23) and have different polarities.

ADC CODEADC CODE 차동 전달 전하량Differential charge 44 2*Cdac*(Vrefn-Vrefp) = -2*Cdac*(Vrefp-Vrefn)2 * Cdac * (Vrefn-Vrefp) = -2 * Cdac * (Vrefp-Vrefn) 33 Cdac*(Vrefn-Vrefp) = -1*Cdac*(Vrefp-Vrefn)Cdac * (Vrefn-Vrefp) = -1 * Cdac * (Vrefp-Vrefn) 22 Cdac*(Vcm-Vcm)=0Cdac * (Vcm-Vcm) = 0 1One Cdac*(Vrefp-Vrefn) = +1*Cdac*(Vrefp-Vrefn)Cdac * (Vrefp-Vrefn) = + 1 * Cdac * (Vrefp-Vrefn) 00 2*Cdac*(Vrefp-Vrefn) = +2*Cdac*(Vrefp-Vrefn)2 * Cdac * (Vrefp-Vrefn) = + 2 * Cdac * (Vrefp-Vrefn)

도 5는 5-레벨 ADC/DAC로 구성된 2차 시그마 델타 변조기의 블록도이다. 도 6a는 도 5의 5-레벨 2차 시그마 델타 변조기의 이상적인 모의실험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6b는 이상적인 적분기와 0.2% 캐패시터 부정합을 가지는 DAC가 적용된 5-레벨 2차 시그마 델타 변조기의 모의실험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6c는 본 발명의 실시예에 따른 0.2% 캐패시터 부정합이 적용된 5-레벨 2차 시그마 델타 변조기의 Hspice 모의실험 결과를 나타내는 그래프이다.5 is a block diagram of a second sigma delta modulator configured with a five-level ADC / DAC. FIG. 6A is a graph showing an ideal simulation result of the 5-level secondary sigma delta modulator of FIG. 5. FIG. 6B is a graph showing the simulation results of a 5-level second order sigma delta modulator with a DAC with an ideal integrator and 0.2% capacitor mismatch. FIG. 6C is a graph showing a Hspice simulation result of a 5-level secondary sigma delta modulator applied with 0.2% capacitor mismatch according to an embodiment of the present invention.

DAC 캐패시터 부정합이 있는 경우, 도 6b에 점선 원으로 도시한 바와 같이, 시그마 델타 변조기의 주파수 응답에서 원하지 않는 톤이 발생하게 된다. 하지만 본 발명에 따른 모의실험 결과는 도 6a의 이상적인 시그마 델타 변조기의 결과와 거의 동일하게 아무런 톤이 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 그러므로 본 발명의 우수성을 확인할 수 있다.In the case of a DAC capacitor mismatch, unwanted tones occur in the frequency response of the sigma delta modulator, as shown by the dashed circle in FIG. 6B. However, the simulation results according to the present invention can be seen that no tone occurs almost the same as the result of the ideal sigma delta modulator of Figure 6a. Therefore, the superiority of the present invention can be confirmed.

한편, 전술한 시그마 델타 변조기의 디지털 아날로그 변환기가 차동 동작하도록 구성되는 경우, 디지털 아날로그 변환기의 스위치는 0에 준하는 스위칭 동작을 하도록 구성될 수 있다. 여기서 0에 준하는 스위칭 동작은 차동 동작을 위한 두 개의 입력 및 두 개의 출력에서 어느 하나의 입력이 동일한 전위의 어느 하나의 출력에 연결되는 스위칭 동작을 말한다.On the other hand, when the digital analog converter of the sigma delta modulator described above is configured to operate differentially, the switch of the digital analog converter may be configured to perform a switching operation corresponding to zero. In this case, the zero switching operation refers to a switching operation in which one input of two inputs and two outputs for differential operation is connected to one output of the same potential.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the art that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 멀티 비트 시그마 델타 변조기의 적분기 부분에 이용되는 디지털 아날로그 변환기에 있어서 단일 입출력시 1개의 캐패시터를 이용하여 5-레벨의 DAC 동작을 가능하게 함으로써 캐패시터 부정합에 따른 비선형성 문제를 해결할 수 있다. 게다가, 디지털-아날로그 변환기용 캐패시터를 확장함으로써 일반 디지털-아날로그 변환기를 적용하여 캐패시터 대비 디지털-아날로그 변환기의 출력 레벨수를 확장할 수 있다. 아울러 DAC 레벨 대비 캐패시터의 수가 훨씬 줄어들게 되어 칩 전체의 면적을 줄일 수 있을 뿐 아니라 시그마 델타 변조기에 적용될 경우 줄어든 캐패시터에 의해 DWA, ILA 등의 기법을 위한 디지털 회로도 매우 간단해질 수 있다.As described above, the present invention enables a five-level DAC operation using one capacitor during a single input and output in a digital analog converter used in an integrator portion of a multi-bit sigma delta modulator, thereby nonlinearity due to capacitor mismatch. You can solve the problem. In addition, by extending the capacitor for the digital-to-analog converter, a general digital-to-analog converter can be applied to extend the number of output levels of the digital-to-analog converter compared to the capacitor. In addition, the number of capacitors is significantly reduced compared to the level of the DAC, which not only reduces the area of the entire chip, but also reduces the capacity of the sigma delta modulator, which can simplify digital circuits for DWA and ILA techniques.

Claims (6)

삭제delete 두 개의 위상을 이용하는 스위치드 캐패시터 구조의 DAC 캐패시터; 및A DAC capacitor having a switched capacitor structure using two phases; And 상기 두 위상이 전환될 때 극성이 다른 기준 전압이 상기 DAC 캐패시터에 전달되도록 동작하는 스위치A switch operable to deliver a reference voltage of different polarity to the DAC capacitor when the two phases are switched 를 포함하되, 상기 스위치는,Including, but the switch, 상기 DAC 캐패시터에 연결되는 기준전압이 네거티브 기준전압에서 0으로 연결, 포지티브 기준전압에서 0으로 연결, 0에서 0으로 연결, 네거티브 기준전압에서 포지티브 기준전압으로 연결, 그리고 포지티브 기준전압에서 네거티브 기준전압으로 연결하는 The reference voltage connected to the DAC capacitor is connected to 0 at negative reference voltage, 0 at positive reference voltage, 0 to 0 connection, from negative reference voltage to positive reference voltage, and from positive reference voltage to negative reference voltage. Connected 시그마 델타 변조기의 디지털 아날로그 변환기.Digital analog converter of sigma delta modulator. 제 2 항에 있어서, 상기 스위치는 상기 기준전압을 0에 준하는 스위칭 동작으로 변환시키는 시그마 델타 변조기의 디지털 아날로그 변환기.3. The digital-to-analog converter of claim 2, wherein the switch converts the reference voltage into a zeroing switching operation. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 스위치의 스위칭 기법을 확장하여 1개의 상기 DAC 캐패시터를 통해 5-레벨의 DAC 동작을 수행하는 시그마 델타 변조기의 디지털 아날로그 변환기.4. The digital to analog converter of a sigma delta modulator according to claim 2 or 3, which extends the switching technique of the switch to perform 5-level DAC operation through one of the DAC capacitors. 삭제delete 두 위상을 이용하는 스위치드 캐패시터 구조의 하나의 DAC 캐패시터와 상기 두 위상이 전환될 때 극성이 다른 기준 전압이 상기 DAC 캐패시터에 전달되도록 동작하는 스위치를 가지는 디지털 아날로그 변환기의 출력 신호와 입력 아날로그 신호의 차를 적분하는 적분기; 및The difference between the output signal and the input analog signal of a digital-to-analog converter having one DAC capacitor having a switched capacitor structure using two phases and a switch operable to transfer a reference voltage having a different polarity to the DAC capacitor when the two phases are inverted Integrating integrator; And 상기 적분기의 아날로그 출력을 디지털 신호로 변환하여 출력하는 아날로그-디지털 변환기Analog-to-digital converter converts the analog output of the integrator into a digital signal and outputs 를 포함하되, 상기 스위치는, Including, but the switch, 상기 DAC 캐패시터에 연결되는 기준전압이 네거티브 기준전압에서 0으로 연결, 포지티브 기준전압에서 0으로 연결, 0에서 0으로 연결, 네거티브 기준전압에서 포지티브 기준전압으로 연결, 그리고 포지티브 기준전압에서 네거티브 기준전압으로 연결하는 The reference voltage connected to the DAC capacitor is connected to 0 at negative reference voltage, 0 at positive reference voltage, 0 to 0 connection, from negative reference voltage to positive reference voltage, and from positive reference voltage to negative reference voltage. Connected 시그마 델타 변조기.Sigma Delta Modulator.
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