KR20050117321A - Successive approximation register adc reusing a unit block of adc for implementing high bit resolution - Google Patents
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Abstract
본 발명은 N 비트 축차근사형 아날로그-디지털 변환 장치(SAR ADC)에 관한 것으로서, 상기 아날로그 신호를 입력받고 N 비트의 디지털 코드에 따라 기준 전압을 분배하여 입력 신호와 비교하며, 상기 비교 결과에 따라 입력 신호에 대응하는 N 비트의 디지털 코드를 비트별로 순차적으로 판정하는 N 비트 축차근사형 아날로그-디지털 변환기와, 상기 N 비트 축차근사형 아날로그-디지털 변환기에 의해 N 비트의 디지털 코드 판정이 완료되면, 판정 오차를 N 비트 축차근사형 아날로그-디지털 변환기에 입력하고 상기 기준 전압을 2N배로 분주하며 디지털 코드의 판정이 완료될 때까지 후속 비트를 순차적으로 판정하도록 상기 N 비트 축차근사형 아날로그-디지털 변환기를 제어하는 제어 수단을 포함한다. 본 발명에 따르면, SAR ADC를 단위 블록으로 사용하여 보다 큰 해상도의 SAR ADC를 용이하게 구현할 수 있으며, SAR ADC에서 사용되는 캐패시터의 수와 면적을 감소시켜서 높은 해상도의 SAR ADC를 적은 면적으로 구현할 수 있다.The present invention relates to an N-bit sequential approximation analog-to-digital converter (SAR ADC), which receives the analog signal, divides a reference voltage according to the N-bit digital code, and compares it with the input signal. When the N bit digital code determination is completed by the N bit sequential approximation analog-to-digital converter that sequentially determines the N bits digital code corresponding to the input signal bit by bit, and the N bit sequential approximation analog to digital converter, The N-bit sequential approximation analog-to-digital converter is input to an N- bit sequential approximation analog-to-digital converter, divides the reference voltage by 2 N times, and sequentially determines subsequent bits until the determination of the digital code is completed. Control means for controlling the. According to the present invention, a SAR ADC can be easily implemented using a SAR block as a unit block, and a high resolution SAR ADC can be implemented in a small area by reducing the number and area of capacitors used in the SAR ADC. have.
Description
본 발명은 축차근사형 아날로그-디지탈 변환기(SAR ADC; Successive Approximation Register ADC, 이하 "SAR ADC"라 함)에 관한 것으로, 특히 축차근사형 ADC를 단위 블록으로 하여 재사용함으로써 필요한 캐패시터의 수와 크기를 줄이고 보다 높은 해상도를 구현하는 SAR ADC에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a successive approximation register ADC (SAR ADC), and in particular, a number and size of capacitors required by reusing a successive approximation ADC as a unit block. It relates to a SAR ADC that reduces and achieves higher resolution.
ADC는 아날로그 신호를 디지털 코드로 변환하기 위한 장치이며, 아날로그 신호를 샘플링하여 그 크기에 대응하는 디지탈 코드 또는 디지털 신호로 변환한다. 이와 같은 ADC 중에서, 특히 SAR ADC는 축차근사 레지스터(SAR)를 구비하며, 디지털 코드를 상위 비트로부터 순차적으로 증가 또는 감소시키면서 조합하여 이를 아날로그 신호와 비교함으로써, 아날로그 입력 신호에 근사화되도록 한다.An ADC is a device for converting an analog signal into a digital code. The ADC is sampled and converted into a digital code or a digital signal corresponding to its magnitude. Among such ADCs, in particular, SAR ADCs have a successive approximation register (SAR), which combines digital codes sequentially with increasing or decreasing high order bits to compare them with analog signals, thereby approximating analog input signals.
도 1은 통상의 SAR ADC의 구성을 도시한 것이며, N 비트 디지털-아날로그 변환기(DAC; Digital-Analog Converter, 이하 "DAC"라 함)(100)와 비교기(200)로 구성되어 있다. N 비트 DAC(100)는 N 비트의 디지탈 코드를 그에 대응하는 아날로그 전압(Vc)으로 변환한다. 비교기(200)는 상기 N 비트 DAC로부터 출력되는 아날로그 전압(Vc)과 변환 대상이 되는 아날로그 신호(VIN)를 비교한다. 만약 아날로그 신호(VIN)가 비교신호인 아날로그 전압(Vc)보다 크면, 비교기 출력(DP)은 하이 레벨(Hi), 즉 논리값 1이 된다. 반대로, 아날로그 신호(VIN)보다 DAC(100)에서 출력되는 아날로그 전압(Vc)이 더 크다면 비교기(200)는 로우 레벨(Lo), 즉 논리값 0의 신호를 출력한다.FIG. 1 shows the configuration of a conventional SAR ADC, which is composed of an N-bit Digital-to-Analog Converter (DAC) 100 and a comparator 200. The N bit DAC 100 converts the N bit digital code into an analog voltage Vc corresponding thereto. The comparator 200 compares the analog voltage Vc output from the N-bit DAC with the analog signal V IN to be converted. If the analog signal V IN is greater than the analog voltage Vc as the comparison signal, the comparator output D P becomes a high level Hi, that is, a logic value 1. On the contrary, if the analog voltage Vc output from the DAC 100 is greater than the analog signal V IN , the comparator 200 outputs a signal of a low level Lo, that is, a logic value 0.
이에 따라, 상기 N 비트 DAC(100)에 입력되는 디지털 코드의 최상위 비트(MSB; Most Significant Bit, 이하 "MSB"라 함)를 논리값 1로 설정하고, 상기 아날로그 신호(VIN)와 N 비트 DAC(100)로부터 출력되는 아날로그 전압(Vc)을 비교하면 N 비트 디지털 코드의 MSB의 값을 판정할 수 있다. 이어서, N 비트 DAC(100)에 입력되는 디지털 코드의 후속 비트를 순차적으로 변경하면서 전술한 비교 과정을 반복함으로써, 상기 아날로그 신호(VIN)에 대응하는 N 비트의 디지털 코드를 결정할 수 있다.Accordingly, the most significant bit (MSB) of the digital code input to the N-bit DAC 100 is set to a logic value 1, and the analog signal V IN and the N bit are set. Comparing the analog voltage Vc output from the DAC 100, it is possible to determine the value of the MSB of the N-bit digital code. Subsequently, the above-described comparison process is repeated while sequentially changing subsequent bits of the digital code input to the N-bit DAC 100, thereby determining the N-bit digital code corresponding to the analog signal V IN .
도 2는 SAR ADC의 일례로서 저항 어레이를 이용하여 도 1의 N 비트 DAC(100)를 구성한 SAR ADC를 도시하고 있으며, 한국등록특허공보 제261997호에 개시된 바와 같다. 도 2에 도시된 바와 같이, 저항 어레이형 DAC는 n+1개의 저항(R1∼Rn+1)이 직렬 연결되어 기준 전압(VREF)을 소정 간격으로 분배하는 전압 분배기로 구성된다. 전압분배기에서, 저항 사이의 노드는 1/2·VDD에서 1/2n·VDD까지 단계적으로 감소하는 n 개 레벨의 전압을 출력하며, 각 전압의 출력 여부는 n개의 스위치(SW1∼SWn)에 의해 선택적으로 제어된다.FIG. 2 illustrates a SAR ADC configuring the N-bit DAC 100 of FIG. 1 using a resistor array as an example of a SAR ADC, as disclosed in Korean Patent Publication No. 261997. As shown in FIG. 2, the resistor array type DAC includes a voltage divider in which n + 1 resistors R1 to Rn + 1 are connected in series to distribute the reference voltage V REF at predetermined intervals. In the voltage divider, the node whether 1/2, and outputs the phase voltage of the n levels decreasing from VDD to 1/2 n · VDD, the output of each voltage between the resistors n switches (SW1~SWn) Is optionally controlled.
각각의 스위치(SW1∼SWn)는 제어 수단(도시되지 않음)에 의해 N 비트의 디지털 코드의 각 비트에 대응하도록 제어된다. 즉, 전압분배기에서 발생하는 최고 레벨의 전압(VREF/2)은 N 비트 디지털 코드의 MSB가 논리값 1일 때 ON되며, 나머지 스위치도 이에 대응하는 각 비트가 논리값 1일 때 ON된다. 따라서, 제어 수단에 의해 출력되는 디지털 코드의 크기에 비례하여 전압 분배기에서 출력되는 아날로그 전압의 크기가 증가한다.Each switch SW1 to SWn is controlled to correspond to each bit of the N bit digital code by a control means (not shown). That is, the highest level voltage (V REF / 2) generated by the voltage divider is turned on when the MSB of the N-bit digital code is a logic value 1, and the remaining switches are turned on when each corresponding bit is a logic value 1. Thus, the magnitude of the analog voltage output from the voltage divider increases in proportion to the magnitude of the digital code output by the control means.
도 3은 종래 기술에 따른 SAR ADC의 변환 동작을 나타내는 시간 도표(Time Chart)이며, 도 2 및 도 3을 참조하여 6 비트 아날로그-디지털 변환에 있어서 SAR ADC의 동작을 구체적으로 살펴본다.FIG. 3 is a time chart illustrating a conversion operation of a SAR ADC according to the prior art, and the operation of the SAR ADC in 6-bit analog-to-digital conversion will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3.
먼저, 도 2에서 MSB에 대응하는 스위치(SW1)를 시간(t1)에서 ON하여(디지털 코드 '100000'에 대응함), N 비트 DAC의 출력(VREF/2)을 아날로그 신호(VIN)와 비교할 때, 아날로그 신호(VIN)가 더 크다. 이에 따라 도 3에서 비교기의 출력(DP)이 논리값 1이 된다. 상기 비교 결과에 따라 아날로그 신호(VIN)에 대응하는 디지털 코드의 MSB는 1인 것으로 판정되며, 스위치(SW1)는 ON 상태를 유지한다. 이어서, MSB에 후속하는 비트에 대응하는 스위치(SW2)를 ON하여(디지털 코드 '110000'에 대응함), 아날로그 신호(VIN)와 비교하면(t2), 도 3에 도시된 바와 같이 비교기의 출력(DP)이 논리값 0이므로 MSB에 후속하는 비트는 0인 것으로 판정된다. 스위치(SW2)는 OFF 상태로 변경되어 이후 그 상태를 유지한다. 전술한 방법에 따라 후속 비트들에 대한 판정을 반복하면(t3, t4, t5, t6), DAC로부터 출력되는 전압(Vc)은 순차적으로 아날로그 신호(VIN)에 근사화되며, 궁극적으로는 아날로그 신호(VIN)에 대응하는 "100100"이라는 디지털 코드를 얻을 수 있다.First, in FIG. 2, the switch SW1 corresponding to the MSB is turned ON at a time t1 (corresponding to the digital code '100000'), and the output VREF / 2 of the N-bit DAC is compared with the analog signal V IN . When the analog signal V IN is greater. Accordingly, the output DP of the comparator in FIG. 3 becomes a logic value 1. According to the comparison result, the MSB of the digital code corresponding to the analog signal V IN is determined to be 1, and the switch SW1 is kept ON. Then, the switch SW2 corresponding to the bit following the MSB is turned ON (corresponding to the digital code '110000'), and compared with the analog signal V IN (t2), as shown in FIG. 3, the output of the comparator is shown. Since (DP) is logical value 0, the bit following MSB is determined to be zero. The switch SW2 is changed to the OFF state to maintain the state thereafter. By repeating the determination of subsequent bits according to the method described above (t3, t4, t5, t6), the voltage Vc output from the DAC is sequentially approximated to the analog signal V IN , and ultimately the analog signal. A digital code of "100100" corresponding to (V IN ) can be obtained.
그러나, 전술한 저항 어레이형 DAC는 전력 소모가 크다는 단점이 있다. 그래서, 최근에는 금속 산화물 반도체(MOS; Metal Oxide semiconductor)의 ON 저항이 비교적 큰점에 착안하여, 이진 가중치의 용량(capacitance)을 갖는 캐패시터 어레이로 DAC를 구성하는 것이 일반적이며, 이를 캐패시터 어레이형 DAC라고 칭한다.However, the above-described resistor array type DAC has a disadvantage of high power consumption. Therefore, in recent years, focusing on the relatively large ON resistance of a metal oxide semiconductor (MOS), it is common to configure a DAC with a capacitor array having a binary weighted capacitance, which is called a capacitor array type DAC. It is called.
도 4는 종래 기술에 따른 가중용량 SAR ADC(weighted-C SAR ADC)의 구성을 예시하고 있다. 4 illustrates a configuration of a weighted-C SAR ADC according to the prior art.
도 4에 도시된 바와 같이, 가중용량 SAR ADC를 구성하는 가중용량 DAC는 2N-1C, ..., 21C, 20C, 20C의 이진 가중치를 갖는 (N+1)개의 캐패시터로 이루어진 캐패시터 어레이로 구성된다. 상기 캐패시터 어레이에 있어서, 최하위 비트(LSB, Least Significant Bit, 이하 "LSB"라 함)에 대응하는 캐패시터의 기본 용량(C)을 기준으로 하여 비트가 증가함에 따라 캐피시터 용량이 2배로 증가한다. N 비트 디지털 코드의 MSB에 대응하는 캐패시터의 용량은 2N-1C가 된다.As shown in FIG. 4, the weighted-capacity DACs constituting the weighted-capacity SAR ADC are (N + 1) with binary weights of 2 N-1 C, ..., 2 1 C, 2 0 C, 2 0 C. It consists of a capacitor array consisting of two capacitors. In the capacitor array, the capacitor capacity doubles as the bit increases based on the base capacity C of the capacitor corresponding to the least significant bit (LSB, Least Significant Bit, hereinafter referred to as "LSB"). The capacitance of the capacitor corresponding to the MSB of the N bit digital code is 2 N-1 C.
상기 캐패시터 어레이의 일단은 스위치(SSP)의 ON 동작시에 접지(GND)에 공통으로 연결되며, 상기 캐패시터 어레이의 타단은 각 캐패시터를 선택적으로 단속하는 (N+1)개의 스위치(SN-1, SN-2, ..., S1, S0, S-1 )에 연결된다. 상기 (N+1)개의 스위치(SN-1, SN-2, ..., S1, S0, S-1)는 제어 수단(도시되지 않음)으로부터 논리값 0의 신호가 입력되면 각 캐패시터를 접지(GND)에 연결하며, 제어 수단으로부터 논리값 1의 신호가 입력되면 각 캐패시터를 스위치(SR)의 일단에 공통으로 연결한다. 스위치(SN-1, SN-2, ..., S0)에 입력되는 제어 신호는 후술하는 바와 같이, 아날로그 신호를 판정하기 위한 N 비트의 디지털 코드의 각 비트에 대응한다. 스위치(SR)를 제어하는 신호가 논리값 0이면 스위치(SR)의 타단은 변환하고자 하는 아날로그 신호에 연결되고, 스위치(SR)를 제어하는 신호가 논리값 1이면 기준 전압(VREF)에 연결된다.One end of the capacitor array is commonly connected to ground (GND) when the switch S SP is turned on, and the other end of the capacitor array has (N + 1) switches (S N− ) for selectively interrupting each capacitor. 1 , S N-2, ..., S 1 , S 0 , S -1 ). The (N + 1) switches S N-1 , S N-2, ..., S 1 , S 0 , S -1 are provided with a logic value 0 from a control means (not shown). Each capacitor is connected to ground GND, and when a signal of logic value 1 is input from the control means, each capacitor is commonly connected to one end of the switch S R. Switch control signal inputted to the (S N-1, S N -2, ..., S 0) is, corresponding to each bit of the digital code of N bits to determine the analog signal as will be described later. The switch is connected to the analog signal to the other end of the signal is logical value 0, the switch (S R) for controlling (S R) is converted, the switch (S R) the control signal is a logic value 1 when the reference voltage (V REF that )
(N+1)개의 캐패시터의 일단이 공통으로 접속된 노드로부터 출력되는 캐패시터 어레이의 출력 전압(VX)은 비교기(200)의 비반전 단자(+)에 입력되며, 비교기의 반전 단자(-)는 접지에 연결되어 있다. 비교기(200)는 캐패시터 어레이의 출력 전압(VX)과 영 전위(0 V)를 비교하여, 캐패시터 어레이의 출력 전압(VX)이 0 V보다 크면 논리값 1을 출력하고, 0 V 이하이면 논리값 0을 출력하도록 구성될 수 있다. 한편, 도 2의 저항 어레이형 SAR ADC는 아날로그 신호(VIN)를 디지털 코드에 대응하는 DAC 출력전압(VC)와 직접 비교함에 반하여, 도 3에 도시된 가중용량 SAR ADC는 디지털 코드에 대응하여 스위치(SN-1, SN-2, ..., S0)의 개폐에 의해 생성되는 전압과 아날로그 신호(VIN)의 차에 대응하는 VX를 영 전위와 비교하도록 구성되어 있다. 그러나, 당업자라면 상기 두 방법이 동일한 원리에 의한 것임을 이해할 수 있을 것이다.The output voltage V X of the capacitor array output from the node to which one end of the (N + 1) capacitors are commonly connected is input to the non-inverting terminal (+) of the comparator 200, and the inverting terminal (-) of the comparator is provided. Is connected to ground. Comparator 200 compares the output voltage (V X ) and zero potential (0 V) of the capacitor array, and outputs a logic value of 1 when the output voltage (V X ) of the capacitor array is greater than 0 V. Can be configured to output a logical value of zero. Meanwhile, the resistance array type SAR ADC of FIG. 2 directly compares the analog signal V IN with the DAC output voltage V C corresponding to the digital code, whereas the weighted-capacity SAR ADC shown in FIG. 3 corresponds to the digital code. Is configured to compare V X corresponding to the difference between the voltage generated by the opening and closing of the switches S N-1 , S N-2 , ..., S 0 and the analog signal V IN with a zero potential. . However, one skilled in the art will understand that the two methods are based on the same principle.
도 4에 도시된 가중용량 SAR ADC는 샘플링, 홀딩, 재분배의 세 단계를 거쳐 변환과정을 수행한다. The weighted-capacity SAR ADC shown in FIG. 4 performs a conversion process through three steps of sampling, holding, and redistribution.
먼저 샘플링 단계에서, 제어 수단으로부터의 디지털 코드 입력에 따라 도 3의 스위치(SR)는 아날로그 신호(VIN)에 연결되고, 스위치(SSP)는 접지에 연결되며, 스위치(SN-1~S0 및 S-1)는 스위치(SR)에 연결된다. 이에 따라, 샘플링 단계에서 캐피시터 어레이의 모든 캐패시터는 아날로그 신호(VIN)를 저장한다.In the first sampling step, according to the digital code input from the control means, the switch S R of FIG. 3 is connected to the analog signal V IN , the switch S SP is connected to ground, and the switch S N-1 S 0 and S −1 are connected to the switch S R. Accordingly, in the sampling step, all capacitors of the capacitor array store the analog signal V IN .
홀딩 단계에서는 스위치(SSP)가 오프(OFF)되어 접지로부터 분리되고 스위치(SN-1~S0 및 S-1)가 접지에 연결되며, 이에 따라 캐패시터 어레이의 출력 전압(VX)은 아날로그 신호의 반전값, 즉 -VIN이 된다.In the holding phase, the switch (S SP ) is turned OFF to isolate it from ground and the switches (S N-1 to S 0 and S -1 ) are connected to ground, so that the output voltage (V X ) of the capacitor array is The inversion of the analog signal, i.e. -V IN .
마지막으로, 재분배 단계에서는 스위치(SR)를 기준 전압(VREF)에 연결한다. 먼저, 입력 아날로그 신호에 대응하는 N 비트 디지털 코드의 MSB를 판정하기 위해, 스위치(SN-1)를 ON하여 MSB에 대응하는 캐패시터(2N-1C)의 타단에 기준 전압(VREF )을 연결하면 캐패시터 용량에 따라 기준 전압(VREF)이 분배된다. 이에 따라 캐패시터 어레이의 출력 전압(VX)은 수학식 1과 같다.Finally, in the redistribution phase, the switch S R is connected to the reference voltage V REF . First, in order to determine the MSB of the N-bit digital code corresponding to the input analog signal, the switch S N-1 is turned on and the reference voltage V REF at the other end of the capacitor 2 N-1 C corresponding to the MSB. When is connected, the reference voltage V REF is divided according to the capacitor capacity. Accordingly, the output voltage V X of the capacitor array is expressed by Equation 1 below.
이 때, 비교기 출력(VO)은 VX가 0 V보다 클 때 논리값 1(Hi)을 출력하고, 0 V보다 작으면 논리값 0(Lo)를 출력한다. 만약 비교기 출력(VO)이 논리값 1이면, 아날로그 신호의 크기가 VREF/2보다 작기 때문에 아날로그 신호에 대응하는 N 비트 디지털 코드의 MSB가 0인 것으로 판정되며, 이에 따라 MSB의 스위치(SN-1)를 다시 접지에 연결한다. 만약 비교기 출력(VO)이 논리값 0이면, N 비트 디지털 코드의 MSB가 1인 것으로 판정되며, 이에 따라 스위치(SN-1)를 ON 상태로 유지한다. MSB 판정에 후속하여, 스위치(SN-2 내지 S0)에 대하여 상기 재분배 단계를 순차적으로 반복함으로써 차순위 비트가 판정되며, 이에 따라 스위치(SN-2 내지 S0)의 상태(ON 또는 OFF)를 설정할 수 있다.At this time, the comparator output V O outputs a logic value 1 (Hi) when V X is greater than 0 V and a logic value 0 (Lo) when less than 0 V. If the comparator output (V O ) is a logic value of 1, since the magnitude of the analog signal is smaller than V REF / 2, it is determined that the MSB of the N-bit digital code corresponding to the analog signal is 0, and thus the switch S of the MSB N-1 ) to ground again. If the comparator output (V O) is a logic value 0, it is determined to be the MSB of the N-bit digital code 1, thereby keeping the switch (S N-1) in the ON state. Following the MSB is determined, the switch with respect to (S N-2 to S 0) and the next ranked bits determined by repeating the redistribution step sequentially, so that the switch (S N-2 to S 0) state (ON or OFF of ) Can be set.
결과적으로, 스위치(SN-1 내지 S0)의 상태 또는 위치가 변환된 N 비트 디지털 코드가 되며, 이를 수식으로 표현하면 수학식 2와 같다. 수학식 2에서, bi는 아날로그 신호(VIN)를 디지털로 변환한 코드에 대응하며, 이는 스위치(SN-1 내지 S0 )의 ON/OFF 상태와 일치한다.As a result, the state or position of the switch (S N-1 to S 0 ) is converted to the N-bit digital code, which is expressed by the equation (2). In Equation 2, b i corresponds to a code obtained by converting an analog signal V IN into digital, which corresponds to ON / OFF states of the switches S N-1 to S 0 .
N 비트의 SAR ADC의 경우에는, N 싸이클 동안 DAC 출력 전압 변경 및 비교 동작을 수행하며, MSB부터 순차적으로 아날로그 신호를 근사화된다. 이때 Vx는 판정 오차 또는 변환 오차에 해당하며 근사화가 진행될수록 0에 수렴한다. In the case of an N-bit SAR ADC, the DAC output voltage change and compare operations are performed during N cycles, and the analog signals are sequentially approximated from the MSB. In this case, Vx corresponds to a determination error or a conversion error and converges to zero as the approximation proceeds.
살펴본 바와 같이, 가중용량 SAR ADC는 비교기와 DAC 등의 간단한 소자로 구성되고 정밀한 아날로그 소자가 사용되지 않기 때문에, CMOS 기술로 구현하기에 적합하다. 그러나, 종래의 가중용량 SAR ADC는 해상도가 증가함에 따라 두 배의 용량을 갖는 캐패시터가 추가로 필요하다. 따라서, 해상도가 높은 ADC는 매우 큰 캐패시터 어레이가 사용되기 때문에 일반적으로 10bit 이상의 ADC를 구현하기가 용이하지 않다. 더욱이, MSB의 캐패시터와 LSB의 캐패시터의 용량비가 2N-1배로 매우 크기 때문에 이러한 용량비를 정확하게 구현하는 것도 용이하지 않은 문제점이 있다.As we have seen, weighted-capacity SAR ADCs are ideal for CMOS technology because they consist of simple devices such as comparators and DACs, and precise analog devices are not used. However, conventional weighted-capacity SAR ADCs require an additional capacitor with twice the capacity as the resolution increases. As a result, high resolution ADCs typically use very large capacitor arrays, making it difficult to implement 10-bit or larger ADCs. Moreover, since the capacity ratio of the capacitor of the MSB and the capacitor of the LSB is very large, 2 N-1 times, there is a problem that it is not easy to accurately implement such a capacity ratio.
이에 본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자, SAR ADC를 단위 블록으로 사용하여 보다 큰 해상도의 SAR ADC를 용이하게 구현할 수 있도록 함과 아울러, 소정 해상도의 SAR ADC 블록을 사용하여 애플리케이션에 따라 해상도를 자유롭게 확장시킬 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention makes it possible to easily implement a SAR ADC having a higher resolution by using a SAR ADC as a unit block, and freely resolution according to an application using a SAR ADC block having a predetermined resolution. The goal is to make it extensible.
또한, 본 발명은 SAR ADC에서 사용되는 캐패시터의 수와 면적을 감소시켜서 높은 해상도의 SAR ADC를 적은 면적으로 구현할 수 있도록 하는 데에 또 다른 목적이 있다.In addition, another object of the present invention is to reduce the number and area of the capacitors used in the SAR ADC to implement a high resolution SAR ADC in a small area.
본 발명의 제1 측면에 따르면, N 비트 축차근사형 아날로그-디지털 변환기를 재사용하여 아날로그 신호를 M 비트(M>N)의 디지털 코드로 변환하는 축차근사형 아날로그-디지털 변환 장치(SAR ADC)가 제공되며, 상기 아날로그 신호를 입력받고 N 비트의 디지털 코드에 따라 기준 전압을 분배하여 입력 신호와 비교하며 상기 비교 결과에 따라 입력 신호에 대응하는 N 비트의 디지털 코드를 비트별로 순차적으로 판정하는 N 비트 축차근사형 아날로그-디지털 변환기와, 상기 N 비트 축차근사형 아날로그-디지털 변환기에 의해 N 비트의 디지털 코드 판정이 완료되면 판정 오차를 N 비트 축차근사형 아날로그-디지털 변환기에 입력하고 상기 기준 전압을 2N배로 분주하며, 상기 M 비트 디지털 코드의 판정이 완료될 때까지 후속 비트를 순차적으로 판정하도록 상기 N 비트 축차근사형 아날로그-디지털 변환기를 제어하는 제어 수단을 포함한다.According to the first aspect of the present invention, a SAR ADC for reusing an N bit sequential approximation analog-to-digital converter and converting an analog signal into a digital code of M bits (M> N) is provided. N bits for receiving the analog signal, distributing a reference voltage according to an N bit digital code, comparing the input voltage with an input signal, and sequentially determining the N bit digital code corresponding to the input signal sequentially bit by bit according to the comparison result. When the N-bit digital code determination is completed by the successive approximation analog-to-digital converter and the N-bit difference approximation analog-to-digital converter, a determination error is inputted to the N-bit difference approximation analog-to-digital converter and the reference voltage is set to 2. the N-fold division, and to determine the following bits in sequence until the determination of the complete M-bit digital code N Bit axis by step scanning analog-to-digital control means for controlling the converter.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 아날로그 신호를 M 비트의 디지털 코드로 변환하는 축차근사형 아날로그-디지털 변환 장치(ADC)가 제공되며, 상기 아날로그 신호를 입력받고 기준 전압과 입력 신호의 비율에 따라 N 비트(N<M)의 디지털 코드를 판정하는 N 비트 아날로그-디지털 변환기와, 상기 아날로그-디지털 변환기에 의해 N 비트 판정이 완료되면 판정 오차를 상기 아날로그-디지털 변환기에 입력하고 기준 전압을 2N배로 분주하며 상기 M 비트 디지털 코드의 판정이 완료될 때까지 판정을 반복하도록 상기 아날로그-디지털 변환기를 제어하는 제어 수단을 포함한다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a successive approximation analog-to-digital converter (ADC) for converting an analog signal into an M-bit digital code, and receiving the analog signal in accordance with a ratio of a reference voltage and an input signal. An N-bit analog-to-digital converter for determining a digital code of N bits (N <M), and when the N-bit determination is completed by the analog-to-digital converter, a determination error is inputted to the analog-to-digital converter and a reference voltage is 2N. And control means for controlling the analog-to-digital converter to divide in double and repeat the determination until the determination of the M bit digital code is completed.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 아날로그 신호를 M 비트의 디지털 코드로 변환하는 가중용량 축차근사형 아날로그-디지털 변환 장치(C-weighted SAR ADC)가 제공되며, 상기 아날로그 신호의 반전값을 저장하고 N 비트(N<M)의 디지털 코드에 따라 기준 전압을 다수개의 레벨로 분배하고 그 분배된 전압을 저장 신호에 가산하여 출력하는 가중용량의 캐패시터 어레이와, 상기 캐패시터 어레이의 출력으로부터 상기 N 비트의 디지털 코드에 따라 분배된 전압과 상기 저장 신호를 비교하는 비교기와, 상기 N 비트의 디지털 코드를 상기 캐패시터 어레이에 제공하고 상기 비교기의 출력에 따라 상기 캐패시터 어레이에 의해 분배되는 전압을 상기 저장 신호에 순차적으로 근사화하여 상기 저장 신호에 대응하는 N 비트의 디지털 코드를 비트별로 순차적으로 판정하는 제어 수단과을 포함한다. 상기 제어 수단은 N 비트 판정이 완료되면, 판정 오차를 상기 캐패시터 어레이에 저장하고 기준 전압을 2N배로 분주하며, 상기 M 비트 디지털 코드의 판정이 완료될 때까지 후속 비트를 순차적으로 판정한다.According to a third aspect of the present invention, there is provided a weighted capacitance approximation analog-to-digital converter (C-weighted SAR ADC) for converting an analog signal into an M-bit digital code, and storing an inverted value of the analog signal. A capacitor array having a weighted capacitance for dividing a reference voltage into a plurality of levels according to a digital code of N bits (N <M) and adding the divided voltage to a storage signal and outputting the stored voltage; A comparator for comparing the stored signal with a voltage divided according to a digital code, and sequentially providing the N bit digital code to the capacitor array and a voltage distributed by the capacitor array according to the output of the comparator to the stored signal. A digital code of N bits corresponding to the stored signal is sequentially determined bit by bit by approximation. It comprises means and autumn. When the N bit determination is completed, the control means stores the determination error in the capacitor array and divides the reference voltage by 2 N times, and subsequently determines subsequent bits until the determination of the M bit digital code is completed.
본 발명의 제4 측면에 따르면, N 비트의 아날로그-디지털 변환기를 이용하여, 아날로그 신호를 M 비트(M>N)의 디지털 코드로 변환하는 방법이 제공되며, (a) 상기 N 비트의 아날로그-디지털 변환기에 상기 아날로그 신호를 입력하는 단계와, (b) 상기 N 비트의 아날로그-디지털 변환기에 기준 전압을 제공하는 단계와, (c) 상기 N 비트의 아날로그-디지털 변환기를 이용하여, 상기 M 비트의 디지털 코드의 상위 비트로부터 순차적으로 비트를 판정하는 단계와, (d) 상기 N 비트의 아날로그-디지털 변환기에 의해 N 비트 판정이 완료되면, 상기 N 비트 판정에 따른 판정 오차를 상기 N 비트의 아날로그-디지털 변환기에 입력하고 기준 전압을 2N배 분주하여 상기 N 비트의 아날로그-디지털 변환기에 제공하며, M 비트의 판정이 완료될 때까지 상기 (c) 단계를 반복하는 단계를 포함한다.According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for converting an analog signal into a digital code of M bits (M> N) using an N-bit analog-to-digital converter, wherein (a) the N-bit analog- Inputting the analog signal to a digital converter; (b) providing a reference voltage to the N-bit analog-to-digital converter; and (c) using the N-bit analog-to-digital converter. Determining the bits sequentially from the upper bits of the digital code of (d) and (d) if the N bit determination is completed by the N bit analog-to-digital converter, determining a determination error according to the N bit determination. Input to the digital converter and divide the reference voltage by 2 N times to provide the N-bit analog-to-digital converter, repeating step (c) until the determination of the M-bit is completed It includes the system.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하며, 전체 도면에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 구성 요소를 지칭한다.Reference will now be made to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like or similar components throughout.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 4 비트 가중용량 SAR ADC를 단위블럭으로 이용하여 12 비트의 해상도를 구현하는 SAR ADC의 구성을 도시하고 있다. 5 illustrates a configuration of a SAR ADC that implements a resolution of 12 bits by using a 4-bit weighted-capacity SAR ADC as a unit block according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 SAR ADC는 캐패시터 어레이(100) 및 비교기(200)를 포함하는 4 비트의 가중용량 SAR ADC 블록과, 다수의 기준 전압 및 아날로그 신호를 선택적으로 입력하기 위한 일군의 스위치(SR1, SR2, SR3, SR4)와, 상기 캐패시터 어레이(100)의 출력 전압을 인출(fetch)하고 캐패시터 어레이에 재충전(reload)하기 위한 전압 폴로워(300), 캐패시터(CVX) 및 스위치(SP1, SP2)로 구성되어 있다.Referring to FIG. 5, in accordance with a preferred embodiment of the present invention, a SAR ADC selectively selects a four bit weighted SAR ADC block including a capacitor array 100 and a comparator 200, and a plurality of reference voltages and analog signals. A group of switches S R1 , S R2 , S R3 , S R4 for input, and a voltage follower 300 for fetching the output voltage of the capacitor array 100 and reloading the capacitor array. ), A capacitor C VX and a switch S P1 , S P2 .
먼저, 4 비트의 가중용량 SAR ADC는 23C, 22C, 21C, 20C, 2 0C의 이진 가중치를 갖는 5 개의 캐패시터를 포함하는 캐패시터 어레이로 구성된다. 캐패시터 어레이(100)는 스위치(S3, S2, S1, S0, S-1)에 입력되는 디지털 코드에 따라 일군의 스위치(SR1, SR2, SR3, SR4)로부터 입력되는 전압을 분배하여 출력하며, DAC로서 기능한다. 상기 캐패시터 어레이(100)의 캐패시터는 LSB에 대응하는 캐패시터의 기본 용량을 기준으로 하여 비트가 증가함에 따라 캐피시터 용량이 2배로 증가하고 있으며, N 비트 디지털 코드의 MSB에 대응하는 캐패시터의 용량은 도시된 바와 같이 2NC이다.First, a 4-bit weighted-capacity SAR ADC consists of a capacitor array containing five capacitors with binary weights of 2 3 C, 2 2 C, 2 1 C, 2 0 C, 2 0 C. The capacitor array 100 is input from a group of switches S R1 , S R2 , S R3 , S R4 according to a digital code input to the switches S 3 , S 2 , S 1 , S 0 , S -1 . It distributes the voltage and outputs it, and functions as a DAC. The capacitor of the capacitor array 100 has a double capacity of the capacitor as the bit increases based on the base capacity of the capacitor corresponding to the LSB, and the capacity of the capacitor corresponding to the MSB of the N-bit digital code is shown. 2 N C as shown.
상기 캐패시터 어레이의 일단은 공통으로 접속되며, 스위치(SSP)가 ON되면 접지(GND)에 연결된다. 상기 캐패시터 어레이의 타단은 각 캐패시터를 선택적으로 단속하는 5 개의 스위치(S3, S2, S1, S0, S-1)에 연결된다. 상기 5 개의 스위치(S3, S2, S1, S0, S-1)는 제어 수단(도시되지 않음)으로부터 논리값 0의 디지털 코드가 입력되면 각 캐패시터를 접지(GND)에 연결하며, 제어 수단으로부터 논리값 1의 디지털 코드가 입력되면 캐패시터 어레이의 타단을 일군의 스위치(SR1, SR2, SR3 , SR4)의 일단에 공통으로 연결한다. 제어 수단으로부터 스위치(S3, S2, S1, S0 , S-1)에 입력되는 제어 신호는 N 비트의 디지털 코드의 각 비트에 대응하며, 아날로그 신호(VIN)를 각 비트별로 디지털 코드로 변환하기 위해 순차적으로 제어된다. 일군의 스위치(SR1, SR2, SR3, SR4)는 제어 수단으로부터의 제어 신호에 따라 아날로그 신호(VIN), 기준 전압(VREF), 기준 전압의 1/16(VREF), 기준 전압의 1/256(V REF/256) 중에서 하나를 선택적으로 출력한다.One end of the capacitor array is connected in common and is connected to ground GND when the switch S SP is turned on. The other end of the capacitor array is connected to five switches S 3 , S 2 , S 1 , S 0 , S -1 that selectively interrupt each capacitor. The five switches S 3 , S 2 , S 1 , S 0 , S -1 connect each capacitor to ground GND when a digital code of logic value 0 is input from a control means (not shown). When the digital code of logic value 1 is input from the control means, the other end of the capacitor array is commonly connected to one end of the group of switches S R1 , S R2 , S R3 , S R4 . The control signal input from the control means to the switches S 3 , S 2 , S 1 , S 0 , S -1 corresponds to each bit of the N bit digital code, and the analog signal V IN is digitally encoded for each bit. Controlled sequentially to code. The group of switches S R1 , S R2 , S R3 and S R4 are analog signals V IN , reference voltage V REF , 1/16 of the reference voltage (V REF ), One of 1/256 (V REF / 256) of the reference voltage is selectively output.
캐패시터 어레이(100)의 일단이 공통으로 접속된 노드로부터 출력되는 캐패시터 어레이의 출력 전압(VX)은 비교기(200)의 비반전 단자(+)에 입력되며, 비교기의 반전 단자(-)는 접지에 연결된다. 비교기(200)는 캐패시터 어레이의 출력 전압(VX)과 영 전위(0 V)를 비교하여, 캐패시터 어레이의 출력 전압(VX)이 0 보다 크면 논리값 1을 출력하고, 0 미만이면 논리값 0을 출력한다.The output voltage V X of the capacitor array output from the node to which one end of the capacitor array 100 is commonly connected is input to the non-inverting terminal (+) of the comparator 200, and the inverting terminal (-) of the comparator is grounded. Is connected to. Comparator 200 compares the output voltage (V X ) and zero potential (0 V) of the capacitor array, and outputs a logic value of 1 if the output voltage (V X ) of the capacitor array is greater than 0, and a logic value of less than 0. Output 0.
전압 폴로워(300)는 도시된 바와 같이 연산 증폭기(OP 앰프)의 출력을 어느 한 입력 단자에 피드백함으로써 구현될 수 있으며, 한쌍의 스위치(SP1)의 제어 하에 캐패시터 어레이(100)의 출력 전압(VX)을 입력받아 이를 캐패시터(CVX)에 출력한다. 이에 따라 캐패시터 어레이의 출력 전압(VX)을 캐패시터(CVX)에 손실 없이 저장할 수 있다. 또한, 전압 폴로워(300)는 한쌍의 스위치(SP2)에 의해 제어되어, 캐패시터(CVX)에 저장된 전압을 캐패시터 어레이에 재저장(즉, 재충전)하여 캐패시터 어레이에 저장되는 전압을 변경할 수 있도록 구성되어 있다.The output voltage of the voltage follower 300, an operational amplifier capacitor array 100 under the control of switches (S P1) of which the outputs can be implemented by feeding back on any one of the input terminals, a pair of (OP Amp), as shown It receives (V X ) and outputs it to the capacitor (C VX ). Accordingly, the output voltage V X of the capacitor array may be stored without loss in the capacitor C VX . In addition, the voltage follower 300 may be controlled by a pair of switches S P2 to change the voltage stored in the capacitor array by restoring (ie recharging) the voltage stored in the capacitor C VX in the capacitor array. It is configured to.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 5에 도시된, 4 비트 가중용량 SAR ADC 단위 블록을 재사용하여 구현되는 12 비트 가중용량 SAR ADC의 동작 상태를 싸이클별로 순차적으로 도시한 동작 상태도이다. 도 7은 도 6에 도시된 12 비트 가중 용량 SAR ADC의 동작 상태에 있어서, 각 스위치에 입력되는 제어 신호를 시간에 따라 도시한 타이밍도이다.FIG. 6 is an operation state diagram sequentially illustrating operation states of a 12-bit weighted-capacity SAR ADC implemented by reusing a 4-bit weighted-capacity SAR ADC unit block shown in FIG. 5 according to an embodiment of the present invention. FIG. 7 is a timing diagram illustrating a control signal input to each switch in time according to an operation state of the 12-bit weighted-capacitance SAR ADC shown in FIG. 6.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여, 4 비트 가중용량 SAR ADC 단위 블록을 재사용하는 12 비트 가중용량 SAR ADC의 동작을 설명한다.6 and 7, an operation of a 12-bit weighted capacity SAR ADC that reuses a 4-bit weighted capacity SAR ADC unit block will be described.
도 6 및 도 7에서 샘플링 단계(T1), 홀딩 단계(T2), 및 4비트 변환을 수행하는 1차 재분배 단계(T3)는 도 4와 관련하여 이미 설명한 샘플링 단계, 홀딩 단계 및 재분배 단계와 일치하며, 아날로그 신호에 대응하는 상위 4 비트의 디지털 코드를 판정한다.6 and 7, the sampling step T1, the holding step T2, and the first redistribution step T3 performing four-bit conversion coincide with the sampling step, holding step and redistribution step already described with reference to FIG. The digital code of the upper 4 bits corresponding to the analog signal is determined.
싸이클(T4 및 T5)은 4 비트 SAR ADC를 재사용하기 위해 캐패시터 어레이의 충전 전압 및 기준 전압의 크기를 변경하기 위한 단계이며, 각각 1차 Vx 인출(fetch) 단계 및 1차 Vx 재충전(reload) 단계라고 한다. 보다 구체적으로 살펴보면, 싸이클(T4) 동안에 스위치(SP1)가 ON되어, 캐패시터 어레이의 출력 전압(VX)이 전압 폴로워(300)를 거쳐 캐패시터(CVX)에 저장(충전)된다. 싸이클(T4)에서 캐패시터(CVX)에 저장되는 전압을 VX4라 할 때, 이는 4 비트 변환이 완료된 시점의 판정 오차(또는 근사화 오차)에 해당하며, 전술한 수학식 2로부터 다음과 같이 유도될 수 있다. 수학식 3에서, {b11, b10, b9, b8}은 싸이클(T3)에서 변환된 4 비트의 디지털 코드를 의미한다.Cycles T4 and T5 are steps for changing the magnitude of the charge voltage and the reference voltage of the capacitor array for reuse of the 4-bit SAR ADC, the primary Vx fetch and primary Vx reload phases, respectively. It is called. In more detail, the switch S P1 is turned on during the cycle T4 so that the output voltage V X of the capacitor array is stored (charged) in the capacitor C VX through the voltage follower 300. When the voltage stored in the capacitor C VX in the cycle T4 is V X4 , this corresponds to a determination error (or an approximation error) at the time when the 4-bit conversion is completed, and is derived from Equation 2 as described below. Can be. In Equation 3, {b 11 , b 10 , b 9 , b 8 } means a 4-bit digital code converted in the cycle T3.
후속하여 싸이클(T5) 동안에, 스위치(SP1)는 OFF되고 스위치(SP2)는 ON된다. 이에 따라, 캐패시터(CVX)에 저장된 전압은 전압 폴로워(300)를 통해 일정하게 유지되면서 캐패시터 어레이에 인가된다. 이 때, 싸이클(T3, T4)에서 ON되어 있던 스위치(SR2)가 OFF되어 기준 전압(VREF)의 공급이 차단되고, 스위치(S3, S 2, S1, S0, S-1)는 접지(GND)에 연결되므로, 캐패시터 어레이의 모든 캐패시터는 전압 폴로워(300)를 통해 출력되는 전압으로 재충전된다.Subsequently during the cycle T5, the switch S P1 is turned off and the switch S P2 is turned on. Accordingly, the voltage stored in the capacitor C VX is applied to the capacitor array while being kept constant through the voltage follower 300. At this time, the switch S R2 that is turned on in the cycles T3 and T4 is turned off to cut off the supply of the reference voltage V REF , and the switches S 3 , S 2 , S 1 , S 0 , and S -1 ) Is connected to ground (GND), so all capacitors in the capacitor array are recharged with the voltage output through the voltage follower (300).
이어서, 후속 4 비트의 변환 과정이 싸이클(T6)에서 수행된다. 싸이클(T6)에서, 스위치(SP2)가 OFF되어 전압 재충전을 종료하며, 스위치(SR3)를 ON하여 새롭게 변경된 기준 전압(VREF/16)을 캐패시터 어레이의 타단에 인가한다. 후속 4 비트에 대한 변환 과정은 전술한 1차 재분배 단계(T3)와 같이 전압 재분배를 통해 비트 변환을 수행하며, 이를 2차 재분배 단계라 한다. 다만, 2차 재분배 단계에서는 캐패시터 어레이의 충전 전압이 수학식 3에 따른 VX4로 변경되고, 변환 범위를 설정하기 위해 종전의 기준 전압을 24배 분주하여 새로운 기준 전압(VREF' = VREF/16)으로 변경하는 점이 상이하다. 기준 전압에 의해 변환 범위가 설정되므로, 캐패시터 어레이에 충전된 전압과 새로운 기준 전압(VREF')의 비율에 따라 4비트의 디지털 코드가 결정된다. 한편, 상기 기준 전압 변경은 스위치(SR3)를 제어하여 수행될 수 있다.Subsequently, a subsequent 4 bit conversion process is performed in cycle T6. In the cycle T6, the switch S P2 is turned off to terminate the voltage recharging, and the switch S R3 is turned on to apply the newly changed reference voltage VREF / 16 to the other end of the capacitor array. The conversion process for the subsequent four bits performs bit conversion through voltage redistribution as in the first redistribution step T3 described above, which is called a second redistribution step. However, in the second redistribution step, the charge voltage of the capacitor array is changed to V X4 according to Equation 3, and the new reference voltage (V REF '= V REF is divided by dividing the previous reference voltage by 2 4 times to set the conversion range. / 16) is different. Since the conversion range is set by the reference voltage, the 4-bit digital code is determined by the ratio of the voltage charged to the capacitor array and the new reference voltage (V REF '). The reference voltage change may be performed by controlling the switch S R3 .
2차 재분배 단계(T6)가 수행되면 상위 8 비트에 대한 변환이 완료되며, 남은 4비트에 대한 변환을 위해 2차 Vx 인출 및 2차 VX 재충전 단계가 수행된다(T7, T8). 싸이클(T7)에서 캐패시터(CVX)에 저장되는 전압(VX7)은 8 비트 변환이 완료된 시점의 판정 오차에 해당하며, 수학식 2 및 수학식 3으로부터 수학식 4와 같이 유도할 수 있다. 수학식 5에서 {b7, b6, b5, b4}은 싸이클(T6)에서 변환된 4 비트 디지털 코드를 의미한다.When the second redistribution step (T6) is carried out is the conversion of the upper 8 bits is completed, to the conversion of the remaining 4 bits are secondary take-Vx and secondary V X recharge step is carried out (T7, T8). The voltage V X7 stored in the capacitor C VX in the cycle T7 corresponds to a determination error when the 8-bit conversion is completed, and can be derived from Equations 2 and 3 as shown in Equation 4 below. In Equation 5, {b 7 , b 6 , b 5 , b 4 } means a 4-bit digital code converted in the cycle T6.
3차 재분배 단계(T9)는 8 비트 변환에 이어 후속 4 비트를 판정하며, 전술한 1차 및 2차 재분 단계(T3, T6)와 동일한 방법에 의해 수행된다. 다만, 3차 재분배 단계(T9)에서는 캐패시터 어레이의 충전 전압이 수학식 4에 따른 VX7로 변경되고, 변환 범위를 설정하기 위해 종전의 기준 전압(VREF' = VREF/16)을 24배 분주하여 새로운 기준 전압(VREF" = VREF'/16 = VREF/256)으로 변경하는 점이 상이하다. 상기 기준 전압 변경은 스위치(SR4)를 제어하여 수행될 수 있다.The third redistribution step T9 determines the next four bits following the eight bit conversion and is performed by the same method as the first and second redistribution steps T3 and T6 described above. However, in the third redistribution stage T9, the charging voltage of the capacitor array is changed to V X7 according to Equation 4, and the previous reference voltage (V REF '= V REF / 16) is set to 2 4 to set the conversion range. The point of distribution is changed to the new reference voltage V REF "= V REF '/ 16 = V REF / 256. The reference voltage change may be performed by controlling the switch S R4 .
3차 재분배 단계(T9)를 마지막으로 12 비트 변환이 완료되며, 이 때 캐패시터 어레이의 출력 전압(VX9)은 수학식 4로부터 다음과 같이 유도할 수 있으며, {b3, b2, b1, b0}는 싸이클(T9)에서 변환된 4 비트의 디지털 코드를 의미한다.Finally, the 12-bit conversion is completed after the third redistribution step (T9), and the output voltage (V X9 ) of the capacitor array can be derived from Equation 4 as follows: {b 3 , b 2 , b 1 , b 0 } means a 4-bit digital code converted in the cycle T9.
상기 수학식 5에 따른 결과는 수학식 1에서 N=12인 경우와 일치하므로, 도 5의 구성에 의해 12 비트의 SAR ADC가 구현됨을 이해할 수 있다.Since the result according to Equation 5 corresponds to the case of N = 12 in Equation 1, it can be understood that a 12-bit SAR ADC is implemented by the configuration of FIG. 5.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 도 5의 전압 폴로워(300)를 구성하는 OP 앰프의 오프셋 전압을 소거하기 위한 회로를 도시하고 있으며, 한 쌍의 스위치(SP0)와 캐패시터(COC)를 추가로 포함하고 있다.FIG. 8 illustrates a circuit for canceling an offset voltage of an OP amplifier constituting the voltage follower 300 of FIG. 5 according to a preferred embodiment of the present invention, and a pair of switches S P0 and a capacitor C OC ).
OP 앰프에 오프셋이 존재할 경우, OP 앰프의 출력(V0)은 비반전 입력 단자의 전압(V+)에 오프셋 전압(VOFF)이 합산된다. 즉, V0 = V+ + VOFF가 된다. 이에 따라 전술한 Vx 인출 단계에서 캐패시터 어레이의 출력 전압에 오프셋 전압이 가산되어 캐패시터(CVX)에 저장될 수 있으므로, 후속하는 비트 판정 단계에서 오류가 발생할 수 있다.If there is an offset in the OP amplifier, the output of the OP amplifier (V 0 ) is added to the offset voltage (V OFF ) to the voltage (V + ) of the non-inverting input terminal. That is, V0 = V + + V OFF . Accordingly, since the offset voltage may be added to the output voltage of the capacitor array in the aforementioned Vx drawing step and stored in the capacitor C VX , an error may occur in a subsequent bit determination step.
이를 해결하기 위해, 도 6의 재분배 단계(T3, T6)가 완료된 후 전압 저장 단계(T4, T7)에 앞서, 스위치(SP0)를 ON하여 OP 앰프의 오프셋 전압(VOFF)을 캐패시터(COC)에 충전한다. 캐패시터(COC)의 충전 전압을 VCOC라 할 때, VCOC = VOFF가 된다. VX 인출 단계(T4, T7)에서, 스위치(SP0)가 OFF되고 스위치(SP1)이 ON되면, 비반전 입력전압(V+)은 V+ = VX - VCOC = VX - V OFF이다. 이때, OP 앰프의 출력 전압은 V0 = V+ + VOFF = (VX - VOFF) + VOFF = VX가 된다. 결국, 캐패시터(CVX)에 충전되는 전압(VCVX)은 OP 앰프의 출력 전압과 동일하므로, VCVX = V0 = VX가 된다. VX 재충전 단계(T5, T8)에서, 스위치(SP1)를 OFF하고 스위치(SP2)를 ON하더라도 캐패시터(COC )의 전압은 그대로 유지되기 때문에, 오프셋을 포함하지 않는 전압이 캐패시터 어레이에 재충전된다.In order to solve this problem, after the redistribution stages T3 and T6 of FIG. 6 are completed, prior to the voltage storage stages T4 and T7, the switch S P0 is turned ON to increase the offset voltage V OFF of the OP amplifier by the capacitor C. FIG. OC ). When the charging voltage of the capacitor C OC is V COC , V COC = V OFF . In the V X withdrawal steps T4 and T7, when the switch S P0 is turned off and the switch S P1 is turned on, the non-inverting input voltage V + is V + = V X -V COC = V X -V OFF . At this time, the output voltage of the OP amplifier is V 0 = V + + V OFF = (V X -V OFF ) + V OFF = V X. As a result, the voltage V CVX charged to the capacitor C VX is equal to the output voltage of the OP amplifier, so that V CVX = V 0 = V X. In the V X recharging stages T5 and T8, even when the switch S P1 is turned off and the switch S P2 is turned on, the voltage of the capacitor C OC remains as it is, so that a voltage not including an offset is applied to the capacitor array. Recharged.
한편, 4 비트 가중용량 SAR ADC를 단위 블록으로 사용하여 8 비트 SAR ADC를 구현할 경우에는, 4 비트 변환이 2회 수행되며 중간에 캐패시터 어레이 출력 전압의 저장 및 재충전 단계가 1회 수행된다. 또한, 4 비트 가중용량 SAR ADC를 단위 블록으로 사용하여 10 비트 SAR ADC를 구현할 경우에는 도 6의 3차 분배 단계에서 2 비트까지만 판정하면 된다. 따라서, 본 발명에 따른 가중용량 SAR ADC의 해상도는 단위 블록의 해상도의 배수 뿐만 아니라 그 배수가 아니더라도 자유롭게 확장할 수 있음을 알 수 있다.Meanwhile, when an 8-bit SAR ADC is implemented using a 4-bit weighted-capacity SAR ADC as a unit block, the 4-bit conversion is performed twice, and the storage and recharging of the capacitor array output voltage is performed once. In addition, when a 10-bit SAR ADC is implemented using a 4-bit weighted-capacity SAR ADC as a unit block, only 2 bits may be determined in the third distribution step of FIG. 6. Accordingly, it can be seen that the resolution of the weighted-capacity SAR ADC according to the present invention can be freely extended even if not a multiple of the resolution of the unit block.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등물로의 치환이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 예컨대, SAR ADC 단위 블록의 재사용은 가중용량 SAR ADC 뿐만 아니라 저항 어레이형 SAR ADC에도 적용할 수 있음을 당업자라면 이해할 것이다. 또한, N 비트의 ADC 단위 블록을 재사용할 경우, N 비트 판정이 완료된 후 판정 오차를 입력하고 기준 전압을 변경함으로써 후속 비트에 대한 판정을 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 이하의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the preferred embodiment according to the present invention has been described above, this is merely exemplary and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalents thereof may be substituted therefrom. For example, those skilled in the art will appreciate that the reuse of SAR ADC unit blocks can be applied not only to weighted SAR ADCs but also to resistor array type SAR ADCs. In addition, in the case of reusing the N-bit ADC unit block, after the N-bit determination is completed, the determination of the next bit may be performed by inputting a determination error and changing the reference voltage. Therefore, the protection scope of the present invention should be defined by the following claims.
전술한 바와 같이, 본 발명은 SAR ADC를 단위 블록으로 사용하여 보다 큰 해상도의 SAR ADC를 용이하게 구현할 수 있으며, 애플리케이션에 따라 해상도를 신축적으로 확장시킬 수 있는 장점이 있다. As described above, the present invention can easily implement a SAR ADC having a higher resolution by using a SAR ADC as a unit block, and has the advantage that the resolution can be expanded and expanded according to an application.
또한, 본 발명은 SAR ADC에서 사용되는 캐패시터의 수와 면적을 감소시켜서 높은 해상도의 SAR ADC를 적은 면적으로 구현할 수 있다. 더욱이, MSB에 대응하는 캐패시터와 LSB에 대응하는 캐패시터의 용량비가 작기 때문에 용량비를 보다 정확하게 구현할 수 있으며, 이에 따라 보다 정밀한 전압 분배가 가능하므로 변환 정확도를 향상시킬 수 있다. 고정된 면적에 SAR ADC를 구현할 경우에는, LSB에 대응하는 캐패시터의 용량을 종래보다 크게 설계할 수 있어서 잡음에 보다 유리한 장점이 있다. In addition, the present invention can reduce the number and area of the capacitors used in the SAR ADC to implement a high resolution SAR ADC in a small area. In addition, since the capacitance ratio of the capacitor corresponding to the MSB and the capacitor corresponding to the LSB is small, the capacitance ratio can be more accurately implemented. Accordingly, more accurate voltage distribution is possible, thereby improving conversion accuracy. When the SAR ADC is implemented in a fixed area, the capacity of the capacitor corresponding to the LSB can be designed larger than that of the conventional art, which is advantageous in terms of noise.
도 1은 일반적인 SAR ADC의 구성도.1 is a block diagram of a typical SAR ADC.
도 2는 종래 기술에 따른 저항 어레이형 SAR ADC의 구성도.2 is a block diagram of a resistor array type SAR ADC according to the prior art.
도 3은 SAR ADC의 변환 동작을 나타내는 시간 도표.3 is a time chart illustrating the conversion operation of a SAR ADC.
도 4는 종래 기술에 따른 가중용량 SAR ADC의 구성도.4 is a block diagram of a weighted-capacity SAR ADC according to the prior art.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 4 비트 SAR ADC를 재사용하는 12 비트 가중용량 SAR ADC의 구성도. 5 is a schematic diagram of a 12-bit weighted-capacity SAR ADC that reuses a 4-bit SAR ADC in accordance with one embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 12 비트 가중용량 SAR ADC의 동작 상태도.6 is an operational state diagram of a 12-bit weighted capacity SAR ADC in accordance with an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 12 비트 가중용량 SAR ADC에서 스위치 제어 신호의 타이밍도.7 is a timing diagram of a switch control signal in a 12 bit weighted capacitive SAR ADC in accordance with an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 오프셋 전압을 소거하기 위한 전압 폴로워(follower)의 구성도.8 is a schematic diagram of a voltage follower for canceling offset voltage in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
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