KR101686217B1 - Two-Channel Asynchronous SAR ADC - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 SAR ADC에 관한 것으로, 보다 자세하게는 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC에 관한 것이다.The present invention relates to a SAR ADC, and more particularly to a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC.
최근 공정 스케일링에 의한 CMOS 기술은 45nm 및 28nm 공정 등 초미세 나노공정 기술로 계속 발전함과 더불어 저전력 및 소면적 설계에 대한 관심사가 증가되고 있다. 또한 다양한 아날로그 회로 및 디지털 회로가 하나의 칩에 집적되는 시스템온칩(system-on-a-chip)(SoC) 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 SoC 응용 분야에는 아날로그 신호를 정밀하고 안정적으로 처리할 수 있는 A/D 변환기(analog-to-digital converter)(ADC)가 필수적으로 요구된다.Recently, CMOS technology by process scaling continues to evolve into ultra-fine nano process technology such as 45nm and 28nm processes, and there is increasing interest in low power and small area design. On the other hand, research on the development of system-on-a-chip (SoC) in which various analog circuits and digital circuits are integrated on a single chip has been actively conducted. In such SoC applications, An analog-to-digital converter (ADC) capable of processing digital signals is indispensable.
특히 최근 스마트 TV, IPTV와 같은 차세대 TV 시스템 및 IEEE 802.16 기반의 WiMAX(worldwide interoperability for microwave access)와 같은 다양한 고성능 장비는 10비트 해상도와 160MS/s 이상의 동작속도를 동시에 만족시키며, 저전력 및 소면적을 갖는 ADC가 필수적으로 요구된다. 기존의 고화질 비디오 디스플레이 시스템 및 무선통신 네트워크 등 다양한 시스템에는 이 같은 고해상도의 품질과 증가된 대역폭 사양을 만족시키면서 전력소모 및 면적을 최소화하기 위해 파이프라인 구조의 ADC가 주로 사용되었다.Recently, various high performance devices such as smart TV, next generation TV system such as IPTV, and IEEE 802.16 based wireless interoperability for microwave access (WiMAX) satisfy 10 bit resolution and operating speed of over 160MS / s, Gt; ADC < / RTI > is essentially required. In a variety of systems, such as existing high-definition video display systems and wireless communication networks, pipelined ADCs were mainly used to minimize power consumption and area while meeting these high resolution qualities and increased bandwidth specifications.
한편, 디지털 회로기반의 연속 근사 레지스터(successive-approximation register)(SAR) ADC의 경우 공정의 발달로 SAR 로직의 동작속도가 크게 향상되었을 뿐만 아니라, 사용가능한 전원전압이 감소함에 따라 디지털 회로에서 소모하는 전력 역시 급격히 감소하는 등 공정의 발달에 따른 경쟁력이 향상되어 최근 SAR ADC에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.On the other hand, in the case of a digital circuit-based successive-approximation register (SAR) ADC, not only the operation speed of the SAR logic is greatly improved due to the development of the process, but also the consumption of the digital circuit The power of SAR has been rapidly decreased, and the competitiveness of the process has been improved.
이와 같이 SAR ADC는 나노공정으로 갈수록 경쟁력이 강화되고 있지만, 증가하는 해상도 및 회로의 잡음 크기에 따라 그 성능이 제한될 뿐만 아니라 동작속도가 증가함에 따라 내부동작속도도 지수적으로 증가하는 경향이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 파이프라인 구조를 기반으로 낮은 속도의 동일한 서브(sub)-ADC 여러 개를 병렬로 연결하는 time-interleaved(T-I) 구조를 적용하여 고속의 ADC를 구현할 수 있지만, T-I 구조를 적용함으로써 발생하는 오프셋, 이득 및 샘플링 타이밍 등 채널 간의 각종 비선형 부정합 등에 의하여 전체 ADC의 성능이 저하된다. 따라서 10비트 이상의 높은 해상도를 얻기 위해서는 구성회로의 잡음뿐만 아니라 각종 채널 간 부정합 문제를 최소화할 필요가 있다. 이러한 채널 간 부정합 문제점들을 해결하기 위해서는 다양한 보정기법이 필수적이나 이는 추가적인 회로가 요구되며 복잡하므로, 최근에는 다양한 아날로그 회로 설계기법기반의 T-I 파이프라인 ADC가 다양하게 발표되고 있다.As such, SAR ADCs are becoming more and more competitive with nano processes, but their performance is limited by increasing resolution and circuit noise size, and their internal operating speed tends to increase exponentially with increasing operating speed . In order to overcome this shortcoming, it is possible to implement a high-speed ADC by applying a time-interleaved (TI) structure in which several low-speed same sub-ADCs are connected in parallel based on a pipeline structure. The performance of the entire ADC is degraded due to various nonlinear mismatches between the channels, such as offset, gain, and sampling timing, which are generated by the application. Therefore, in order to obtain a high resolution of 10 bits or more, it is necessary to minimize not only the noise of the constituent circuit but also the mismatch between various channels. In order to solve these channel mismatch problems, various correction techniques are necessary. However, since additional circuits are required and complicated, a variety of T-I pipeline ADCs based on various analog circuit design techniques have been recently announced.
특히 T-I 파이프라인 ADC의 경우 증폭기에 의한 채널 간 오프셋 부정합이 성능 저하의 주요 원인이 되는 반면, T-I 구조의 SAR ADC는 비교기에 의한 채널 간 오프셋 부정합이 성능저하의 주요 원인이 된다. 비교기에 의한 채널 간 오프셋 부정합을 해결하기 위해 비교기 출력단에 가변 커패시터를 추가하여 비교기의 오프셋을 보정하는 방법이 제안되었지만, 이는 오프셋 보정을 위한 추가적인 타이밍 및 디지털 회로가 요구된다. 또한, 디지털 회로기반의 오프셋 보정기법은 규모가 크고 복잡한 회로를 칩 안에 집적해야 하므로 전력소모 및 면적이 추가로 필요하게 된다.In particular, in the case of T-I pipelined ADC, channel-to-channel offset mismatch is the main cause of performance degradation, whereas T-I structure SAR ADC is the main cause of degradation of channel-to-channel offset mismatch by comparator. A method of correcting the offset of the comparator by adding a variable capacitor to the output of the comparator to solve the interchannel offset mismatch by the comparator has been proposed, but this requires additional timing and digital circuitry for offset correction. In addition, offset correction techniques based on digital circuits require additional power consumption and area because large scale and complex circuits must be integrated in the chip.
따라서 본 발명이 해결하려는 과제는 별도의 보정기법을 사용하지 않고 채널 간 오프셋 부정합과 같은 비선형 오차 및 회로의 잡음 크기를 최소화한 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC that minimizes nonlinear errors such as offset mismatch between channels and noise of a circuit without using a separate correction technique.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC는 첫 번째 단은 이중채널로 구현되는 제1 SAR ADC와 제2 SAR ADC가 비동기 SAR 로직과 D/A 변환기(digital-to-analog converter)(DAC)를 각각 포함하고 제1 비교기를 공유하도록 형성되고, 두 번째 단은 이중채널로 구현되는 제3 SAR ADC와 제4 SAR ADC가 비동기 SAR 로직과 DAC를 각각 포함하고 제2 비교기를 공유하도록 형성된다.A dual-channel asynchronous pipelined SAR ADC according to an exemplary embodiment of the present invention includes a first SAR ADC and a second SAR ADC implemented as a dual channel, and the asynchronous SAR logic and the D / A converter (DAC) and is configured to share a first comparator, and the second stage is formed by a third SAR ADC and a fourth SAR ADC implemented as dual channels, respectively, asynchronous SAR logic and DAC And to share a second comparator.
상기 첫 번째 단과 상기 두 번째 단 사이에 위치하고, 상기 제1 SAR ADC와 상기 제2 SAR ADC 중에서 선택된 SAR ADC의 잔류전압 증폭을 수행하는 잔류전압 증폭기를 더 포함할 수 있다.And a residual voltage amplifier located between the first stage and the second stage for performing residual voltage amplification of the SAR ADC selected from the first SAR ADC and the second SAR ADC.
상기 장치는, 클록 신호를 생성하는 클록 타이밍 회로부를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a clock timing circuit section for generating a clock signal.
상기 제1 비교기는 상기 클록 신호, 상기 클록 신호를 소정 시간 지연한 클록 지연 신호 및 상기 제1 비교기의 동작 완료에 대응하는 준비 신호를 입력받아 상기 제1 비교기의 준안정 상태를 감지하고, 상기 제1 비교기의 준안정 상태를 감지하면 상기 제1 비교기가 미리 정해진 출력을 내보내고 다음 동작을 수행하게 하는 감지 신호를 출력하는 제1 감지 회로부를 포함할 수 있다.Wherein the first comparator receives the clock signal, a clock delay signal delayed by a predetermined time of the clock signal, and a ready signal corresponding to the completion of the operation of the first comparator to sense the metastable state of the first comparator, And a first sensing circuit for outputting a sensing signal for allowing the first comparator to output a predetermined output when the first comparator detects the metastable state of the first comparator and to perform a next operation.
상기 제2 비교기는 상기 클록 신호, 상기 클록 신호를 소정 시간 지연한 클록 지연 신호 및 상기 제2 비교기의 동작 완료에 대응하는 준비 신호를 입력받아 상기 제2 비교기의 준안정 상태를 감지하고, 상기 제2 비교기의 준안정 상태를 감지하면 상기 제2 비교기가 미리 정해진 출력을 내보내고 다음 동작을 수행하게 하는 감지 신호를 출력하는 제2 감지 회로부를 포함할 수 있다.Wherein the second comparator receives the clock signal, a clock delay signal delayed by a predetermined time of the clock signal, and a ready signal corresponding to the completion of the operation of the second comparator to sense the metastable state of the second comparator, And a second sensing circuit for outputting a sensing signal for allowing the second comparator to output a predetermined output and to perform a next operation when the second comparator detects the metastable state of the second comparator.
상기 제3 SAR ADC 및 상기 제4 SAR ADC는, 샘플링된 입력 신호의 상위 비트를 결정하는 커패시터열과, 상기 샘플링된 입력 신호의 하위 비트를 결정하는 저항열을 각각 포함하는 커패시터-저항 하이브리드 DAC를 각각 포함할 수 있다.The third SAR ADC and the fourth SAR ADC each include a capacitor-resistor hybrid DAC including a capacitor row for determining upper bits of a sampled input signal and a resistor row for determining lower bits of the sampled input signal, .
상기 저항열은, 공통모드전압 입력단에 일단이 스위칭 소자에 의해 연결되는 제1 저항, 상기 공통모드전압 입력단, 제1 기준전압 입력단 및 상기 제2 기준전압 입력단에 각각 스위칭 소자에 의해 일단이 연결되는 제2 저항 및 제3 저항, 상기 제2 저항 및 상기 제3 저항을 연결하는 제4 저항을 포함할 수 있다.The resistor string is connected at one end to the common mode voltage input terminal by a switching element at each end thereof, a first resistor whose one end is connected by a switching element, the common mode voltage input terminal, the first reference voltage input terminal and the second reference voltage input terminal A second resistor and a third resistor, and a fourth resistor connecting the second resistor and the third resistor.
상기 제1 저항, 상기 제2 저항 및 상기 제3 저항은 상기 제4 저항보다 2배의 저항값을 가질 수 있다.The first resistor, the second resistor, and the third resistor may have a resistance value twice that of the fourth resistor.
상기 커패시터-저항 하이브리드 DAC는 상기 샘플링된 입력 신호를 상기 공통모드전압과 비교하여 최상위 비트를 결정할 수 있다.The capacitor-resistor hybrid DAC may compare the sampled input signal with the common mode voltage to determine the most significant bit.
본 발명의 다른 실시예에 따른 SAR ADC, 비동기 SAR 로직과 DAC를 포함하는 SAR ADC, 상기 DAC에서 출력된 전압을 소정의 기준 전압과 비교한 비교 결과를 상기 SAR 로직으로 출력하는 비교기, 그리고 상기 비교기의 동작을 위한 클록 신호를 생성하는 클록 타이밍 회로부를 포함한다.A SAR ADC according to another embodiment of the present invention, a SAR ADC including an asynchronous SAR logic and a DAC, a comparator outputting a comparison result to the SAR logic comparing a voltage output from the DAC with a predetermined reference voltage, Lt; RTI ID = 0.0 > circuitry < / RTI >
상기 비교기는, 상기 클록 신호, 상기 클록 신호를 소정 시간 지연한 클록 지연 신호 및 상기 비교기의 동작 완료에 대응하는 준비 신호를 입력받아 상기 비교기의 준안정 상태를 감지하고, 상기 비교기의 준안정 상태를 감지하면 상기 비교기가 미리 정해진 출력을 내보내고 다음 동작을 수행하게 하는 감지 신호를 출력하는 감지 회로부를 포함할 수 있다.Wherein the comparator receives the clock signal, a clock delay signal obtained by delaying the clock signal by a predetermined time, and a ready signal corresponding to the completion of the operation of the comparator, detects the metastable state of the comparator, And a sensing circuit for outputting a sensing signal for allowing the comparator to output a predetermined output and to perform a next operation when sensed.
상기 DAC는, 샘플링된 입력 신호의 상위 비트를 결정하는 커패시터열과, 상기 샘플링된 입력 신호의 하위 비트를 결정하는 저항열을 각각 포함할 수 있다.The DAC may include a column of capacitors for determining the upper bits of the sampled input signal and a column of resistors for determining the lower bits of the sampled input signal.
본 발명에 의하면, 비교기의 준안정 상태로 인한 출력오류를 줄일 수 있고, 별도의 보정기법 없이 두 채널 간의 오프셋 부정합을 최소화할 수 있으며, DAC에 사용되는 커패시터의 수를 줄여 칩 면적 및 DAC 내에서 소모되는 스위칭 전력을 최소화할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, it is possible to reduce the output error due to the metastable state of the comparator, minimize the offset mismatch between two channels without a separate correction technique, reduce the number of capacitors used in the DAC, It is possible to minimize the switching power consumed.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC의 각 SAR ADC의 동작 타이밍을 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC의 첫 번째 단에 사용되는 공유 비교기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC의 두 번째 단에 사용되는 공유 비교기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC에 사용되는 잔류전압 증폭기의 구조를 자세히 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC의 두 번째 단에 형성되는 SAR ADC의 DAC 구조를 예시한 도면이다.
도 7은 동기 방식 SAR 알고리즘의 타이밍과 비동기 SAR 알고리즘의 타이밍을 비교한 타이밍도이다.
도 8은 본 발명에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC에 적용된 준안정상태 감지회로를 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 9는 준안정상태 감지 로직의 동작 원리를 설명하기 위해 제공되는 타이밍도이다.
도 10은 본 발명에 따라 모의 실험한 비교기의 준안정상태 감지 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC에서 하나의 기준 전압을 공유하는 경우와 기준전압 구동회로를 분리한 경우를 비교하여 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC가 칩 상에 구현된 것을 도시한 도면이다.
도 13은 도 12의 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC의 측정된 DNL 및 INL을 예시한 도면이다.
도 14는 도 12의 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC의 측정된 FFT 스펙트럼을 예시한 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC의 샘플링 주파수에 따라 측정된 SNDR 및 SFDR 을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC의 입력 주파수에 따른 동적 성능을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a configuration of a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating operation timing of each SAR ADC of a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating the structure of a shared comparator used in the first stage of a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC according to the present invention.
4 is a diagram illustrating the structure of a shared comparator used in the second stage of a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC according to the present invention.
5 is a detailed diagram illustrating the structure of a residual voltage amplifier used in a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC according to the present invention.
6 is a diagram illustrating a DAC structure of a SAR ADC formed in a second stage of a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC according to the present invention.
Fig. 7 is a timing chart comparing the timing of the synchronous SAR algorithm and the timing of the asynchronous SAR algorithm.
8 is a diagram provided to illustrate a metastable state sensing circuit applied to a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC according to the present invention.
Figure 9 is a timing diagram provided to illustrate the principle of operation of the metastable state sensing logic.
10 is a diagram showing a result of metastable state detection of a comparator simulated according to the present invention.
11 is a view for explaining a case where one reference voltage is shared and a case where a reference voltage driving circuit is separated in a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC according to the present invention.
12 is a diagram illustrating a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC according to the present invention implemented on a chip.
Figure 13 is a diagram illustrating measured DNL and INL of the dual channel asynchronous pipeline SAR ADC of Figure 12;
14 is a diagram illustrating a measured FFT spectrum of the dual channel asynchronous pipeline SAR ADC of FIG. 12;
15 is a graph showing SNDR and SFDR measured according to a sampling frequency of a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC according to the present invention.
16 is a diagram illustrating dynamic performance according to an input frequency of a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC according to the present invention.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC의 구성을 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a configuration of a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC according to an embodiment of the present invention.
도 1에 예시한 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC는 이중채널 10비트 200MS/s 28nm CMOS 비동기 파이프라인 SAR ADC로서 4비트 및 7비트 결정기반의 2단 파이프라인 구조, 이중채널 T-I 구조 및 비동기 SAR 알고리즘을 동시에 적용한 경우를 예시하였으며, 이하에서는 이를 기준으로 설명한다. 물론 실시예에 따라서 첫 번째 단(1st-Stage)과 두 번째 단(2nd-Stage)에 이중채널로 구현되는 두 개의 SAR ADC에서 결정되는 비트수가 도 1에 예시한 것과 달라질 수도 있는 것으로 이해되어야 한다.The dual channel asynchronous pipelined SAR ADC illustrated in FIG. 1 is a dual channel, 10-bit, 200 MS / s 28 nm CMOS asynchronous pipelined SAR ADC that includes a 4-bit and 7-bit decision based two stage pipelined architecture, a dual channel TI structure, and an asynchronous SAR algorithm Are applied at the same time, and the following description will be made on the basis thereof. Of course, it should be understood that the number of bits determined by two SAR ADCs implemented in a dual channel in the first stage and the second stage may differ from those illustrated in FIG. 1 .
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC(이하 이중채널 SAR ADC 장치라 함)는 제1 비동기 SAR ADC(110a), 제2 비동기 SAR ADC(110b), 제1 비교기(120), 잔류전압 증폭기(300), 제3 비동기 SAR ADC(210a), 제4 비동기 SAR ADC(210b), 제2 비교기(220), 디지털 교정회로(digital correction logic)(400), 클록 타이밍 회로(clock timing circuit)(500), 기준전류 및 기준전압 발생기(current & voltage generator)(600)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a dual channel asynchronous pipeline SAR ADC (hereinafter referred to as a dual channel SAR ADC device) according to the present invention includes a first
본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 첫 번째 단에 제1 비동기 SAR ADC(110a), 제2 비동기 SAR ADC(110b) 및 제1 비교기(120)를 포함하고, 두 번째 단에 제3 비동기 SAR ADC(210a), 제4 비동기 SAR ADC(210b) 및 제2 비교기(210)를 포함할 수 있다.The dual-channel SAR ADC device according to the present invention includes a first
도 1에서는 첫 번째 단에 위치한 제1 비동기 SAR ADC(110a) 및 제2 비동기 SAR ADC(110b)는 비동기 4비트 SAR ADC로 구현하였고, 두 번째 단에 위치한 제3 비동기 SAR ADC(210a) 및 제4 비동기 SAR ADC(210b)는 비동기 7비트 SAR ADC로 구현한 예를 예시하였으나, 앞서 설명한 것과 같이 첫 번째 단과 두 번째 단에 위치하는 비동기 SAR ADC의 비트수는 실시예에 따라 달라질 수 있다.In FIG. 1, the first
한편 도 1에서 편의상 첫 번째 단에 위치한 제1 비동기 SAR ADC(110a)과 두 번째 단에 위치한 제3 비동기 SAR ADC(210a)에 각각 비동기 SAR 로직(asynchronous SAR logic)(Async. SAR Logic)과 커패시터 DAC (Capacitor-DAC)(C-DAC), 커패시터-저항 하이브리드 DAC (C&R-2R DAC)를 포함하는 것으로 도시하였으나, 제2 비동기 SAR ADC(110b)과 제4 비동기 SAR ADC(210b)에도 대응하는 비동기 SAR 로직과 C-DAC, C&R-2R DAC를 포함한다.1, asynchronous SAR logic (Async. SAR logic) and a capacitor (not shown) are respectively connected to the first
그리고 도 1에서 편의 상 첫 번째 단에 위치한 제1 비동기 SAR ADC(110a)과 두 번째 단에 위치한 제3 비동기 SAR ADC(210a)에 각각 비교기(120, 220)이 연결된 것으로 도시하였으나, 첫 번째 단에 위치한 제1 비동기 SAR ADC(110a) 및 제2 비동기 SAR ADC(110b)는 제1 비교기(120)를 공유하고, 두 번째 단에 위치한 제3 비동기 SAR ADC(210a) 및 제4 비동기 SAR ADC(210b)는 제2 비교기(220)를 공유한다. 그리고 첫 번째 단과 두 번째 단 사이에 위치한 잔류전압 증폭기(300)도 이중채널을 구현하는 각 SAR ADC에 의해 공유된다.1, the
잔류전압 증폭기(300)는 첫 번째 단의 제1 비동기 SAR ADC(110a)과 제2 비동기 SAR ADC(110b) 중에서 선택된 SAR ADC의 잔류전압 증폭을 수행하여 두 번째 단으로 전달하는 기능을 수행한다.The
디지털 교정회로(400)는 비교기 오프셋에 의한 코드 오차를 교정하는 기능을 수행한다.The
클록 타이밍 회로(500)는 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 동작과 관련된 클록을 생성하여 제공하는 기능을 수행한다.The
기준전류 및 기준전압 발생기(600)는 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 동작과 관련된 기준전류 및 기준전압을 발생하여 제공하는 기능을 수행한다.The reference current and
이와 같이 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 비동기 SAR ADC에 파이프라인 구조를 접목한 파이프라인 SAR 구조로, 이중채널 간 오프셋 등 각종 부정합을 최소화 화기 위해서, 도 1에 예시한 것과 같이 제1 비교기(120), 제2 비교기(220) 및 잔류전압 증폭기(300)를 공유하도록 구현할 수 있다.As described above, the dual-channel SAR ADC device according to the present invention is a pipelined SAR structure combining an asynchronous SAR ADC with a pipeline structure. In order to minimize various mismatches such as offset between dual channels, The
먼저 첫 번째 단 SAR ADC(110a, 110b)에는 VCM 기반의 스위칭 기법을 적용하여 각 단의 가장 큰 면적을 차지하는 커패시터(23CU)를 제거할 수 있다. 또한, 첫 번째 단에서 1.2VPP 입력신호(VIN)를 입력받은 후, 두 번째 단에서는 신호를 0.6VPP 로 감소시켜 처리하는 레인지 스케일링(range-scaling) 기법을 적용하여 잔류전압 증폭기(300)의 설계 요구사양을 낮춤으로써 잔류전압 증폭기(300)에 의한 전력소모를 줄일 수 있다.First, the V CM based switching scheme is applied to the first
한편, 두 번째 단 SAR ADC(210a, 210b)에는 VCM 기반의 스위칭 기법 및 C&R-2R DAC를 사용하여 최상위 비트 및 최하위 2비트를 결정하는 기법을 통해 사용되는 커패시터의 수를 추가적으로 감소시킬 수 있다. Meanwhile, the second
그리고 기준전류 및 기준전압 발생기(600)는 칩 내부에 집적하여, 잔류전압 증폭 및 SAR 동작 시 사용하는 기준전압 구동회로를 각각 분리하여 세 가지 서로 다른 스위칭 동작에 의한 기준전류 및 기준전압 간섭 문제를 최소화함으로써, 기준전압 간섭 및 채널 간 여러 가지 부정합 문제를 최소화할 수 있다.The reference current and the
한편 각 단을 구성하는 SAR ADC(110a, 110b, 210a, 210b)는 비동기로 동작하며, 따라서 SAR 동작을 위한 고속의 내부 클록 생성회로를 원천적으로 제거하여 면적 및 전력소모를 최소화할 수 있다. 또한 간단한 구조의 디지털 감지회로를 추가함으로써 비교기의 준안정(meta-stable) 상태를 해결할 수 있다.Meanwhile, the SAR ADCs 110a, 110b, 210a, and 210b constituting each stage operate asynchronously, and therefore, a high-speed internal clock generation circuit for SAR operation is originally eliminated, thereby minimizing the area and power consumption. In addition, the addition of a simple-structured digital sense circuit can solve the meta-stable condition of the comparator.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 각 SAR ADC의 동작 타이밍을 예시한 도면이다.2 is a diagram illustrating operation timing of each SAR ADC of a dual channel SAR ADC device according to an embodiment of the present invention.
도 2에서는 이중채널 T-I 구조기반의 10비트 200MS/s 파이프라인 SAR ADC의 SAR 동작 및 잔류전압 증폭 타이밍을 예시한 것으로 두 개의 채널이 시간차를 두고 각각 100MS/s로 동작하므로 전체 ADC는 200MS/s의 동작속도를 얻을 수 있으며, 각 동작 회로 블록의 세부 동작은 다음과 같다.FIG. 2 illustrates the SAR operation and the residual voltage amplification timing of a 10-
우선, 첫 번째 단의 각 2개 채널에 순차적으로 샘플링된 입력신호는 200MHz 클록의 반주기인 2.5ns 동안 비동기 SAR 동작을 통해서 첫 번째 단 SAR ADC(110a, 110b)에서 상위 4비트의 디지털 코드로 변환된다. 그리고 입력신호와 4비트 코드에 의해 결정된 기준전압의 차이인 잔류전압은 100MHz 클록의 반주기인 5ns 동안 레인지-스케일링(range-scaling) 기법이 적용된 잔류전압 증폭기(300)에 의해 4배 증폭되어 두 번째 단 7비트 SAR ADC(210a, 210b)로 순차적으로 전달된다.First, the input signals sequentially sampled on each of the two channels of the first stage are converted from the first-
두 번째 단은 첫 번째 단으로부터 증폭된 잔류전압을 샘플링한 후, 두 번째 단 7비트 SAR ADC(210a, 210b)에서 비동기 SAR 동작을 통해 잔류전압을 하위 7비트 코드로 변환을 하여, 최종적으로 200MS/s의 속도로 10비트 디지털 코드를 출력할 수 있다. The second stage samples the residual voltage amplified from the first stage and then converts the residual voltage into the lower 7-bit code through the asynchronous SAR operation in the second stage 7-
한편, 도 2에 예시한 것과 같이 첫 번째 단의 SAR 동작, 잔류전압 증폭 및 두 번째 단의 SAR 동작이 동일한 타이밍에 진행되어 기준전압 간섭문제가 발생할 수 있지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 기준전압 구동회로를 세 가지로 분리하여 기준전압 간섭문제를 근본적으로 해결할 수 있다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 2, the SAR operation of the first stage, the residual voltage amplification, and the SAR operation of the second stage proceed at the same timing, so that the problem of the reference voltage interference may occur. However, Channel SAR ADC device can solve the reference voltage interference problem fundamentally by dividing the reference voltage drive circuit into three.
다음으로 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 첫 번째 단과 두 번째 단에서 이중채널을 형성하는 SAR ADC(110a, 110b, 210a, 210b)에 의해 공유되는 비교기(120, 220)에 대해서 보다 자세히 설명한다.Next, the
일반적인 T-I 구조의 SAR ADC에서 각 채널별 비교기는 서로 다른 크기의 오프셋이 존재하며, 이는 선형성을 저하시켜 전체 ADC의 성능을 제한한다. 이를 해결하기 위해 다양한 오프셋 보정기법이 제안되고 있지만 추가적인 타이밍 및 디지털 회로 등이 필요한 단점이 있었다.In a typical T-I structured SAR ADC, each channel-specific comparator has offset of different magnitudes, which degrades linearity and limits the performance of the entire ADC. In order to solve this problem, various offset correction techniques have been proposed, but additional timing and digital circuits have been required.
본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 별도 보정기법 없이 채널 간 오프셋 부정합을 줄이기 위해 채널 간에 하나의 비교기를 공유하도록 구현될 수 있다.The dual channel SAR ADC device according to the present invention can be implemented so that one comparator is shared between channels in order to reduce the offset mismatch between channels without a separate correction technique.
도 3은 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 첫 번째 단에 사용되는 공유 비교기의 구조를 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating the structure of a shared comparator used in the first stage of a dual-channel SAR ADC device according to the present invention.
도 1 및 도 3을 참고하면, 첫 번째 단에 공유된 비교기(120)는 도 3에 예시한 것과 같이 전력소모를 최소화하기 위해 프리앰프 없이 2단 구조의 래치로만 구성될 수 있다. 채널 선택을 위해 비교기 입력단에 스위치를 사용할 수도 있지만, 첫 번째 단의 경우 SAR 동작 후 생성된 잔류전압을 증폭하는 과정에서 채널 선택을 위한 스위치가 꺼지면서 발생하는 전하유입에 의해 잔류전압이 왜곡될 수 있다. 이를 해결하기 위해 비교기(120)의 입력단 스위치를 제거하고 두 쌍의 입력단으로 구성할 수 있다. 또한 비교기(120)의 입력단을 리셋(reset)하지 않음으로써 발생 가능한 메모리 효과도 샘플링 동작 시 자동적으로 제거되도록 할 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 3, the
본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치에서 파이프라인의 첫 번째 단 SAR ADC(110a, 110b)는 하나의 비교기(120)에 두 쌍의 입력단을 사용하여 공유하였기 때문에 채널 간 오프셋 부정합으로 인한 성능저하가 발생할 수 있다.In the dual-channel SAR ADC device according to the present invention, since the first-
하지만 비교기(120)의 오프셋 크기가 4비트의 1/2 LSB 이내일 경우 오프셋에 의한 코드 오차는 디지털 교정회로(400)를 통해 보정이 가능할 수 있도록 설계될 수 있다. However, when the offset size of the
도 3의 우측 그래프는 1000개 샘플에 대한 비교기 오프셋의 몬테카를로 모의실험 결과로써, 비교기 오프셋 크기의 표준편차는 11.56mV이며 전체 분포 또한 4비트의 1/2 LSB (37.5mV) 이내에 안정적으로 분포하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 비교기 오프셋에 의한 코드 오차는 디지털 교정회로(400)를 통해 보정이 가능하므로 이는 전체 ADC의 선형성에는 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있다.The right graph of FIG. 3 shows that the standard deviation of the comparator offset size is 11.56 mV and the overall distribution is also stably distributed within 1/2 LSB (37.5 mV) of 4 bits as a result of Monte Carlo simulation of comparator offsets for 1000 samples Can be confirmed. Therefore, the code error due to the comparator offset can be corrected through the
한편 비교기는 입력된 신호의 비교동작을 로직 수준의 디지털 값으로 최종 결정하기 전까지 회로 내부 잡음에 의해 코드 오차를 발생시킬 수 있다. 회로 내부 잡음의 크기는 등가적으로 비교기 입력 기준 잡음으로 나타낼 수 있으며, 비교기의 코드오차는 입력 기준 잡음 크기에 비례하여 증가하게 된다. On the other hand, the comparator can generate a code error by the circuit internal noise until the comparison operation of the input signal is finally determined as a logic level digital value. The magnitude of the circuit internal noise can be equivalently expressed as the comparator input reference noise, and the code error of the comparator increases in proportion to the input reference noise magnitude.
따라서 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 4비트 및 7비트의 파이프라인 구조를 적용하여, 첫 번째 단 SAR ADC 비교기의 오프셋 및 잡음에 의해 발생한 코드오차는 디지털 교정회로를 통해 보정이 가능하지만, 두 번째 단 SAR ADC의 경우 비교기 회로 오프셋 및 잡음에 의해 발생한 코드 오차는 보정이 되지 않으며, 이 경우 전체 ADC의 성능 저하의 요인이 될 수 있다. 두 번째 단 SAR ADC의 비교기 회로 잡음에 의한 전체 ADC의 성능 제약은 아래 수학식 1로 요약될 수 있다.Therefore, the dual-channel SAR ADC device according to the present invention applies a 4-bit and 7-bit pipeline structure, so that a code error caused by the offset and noise of the first-stage SAR ADC comparator can be corrected through a digital calibration circuit, In the case of the second-stage SAR ADC, the offset of the comparator circuit and the code error caused by the noise are not corrected, which can cause the degradation of the overall ADC performance. The performance constraint of the overall ADC due to the comparator circuit noise of the second stage SAR ADC can be summarized by
수학식 1에서 PS 및 PN은 각각 입력신호의 전력 및 총 잡음의 전력을 나타내며, PQ, PC, PA 및 PCOMP는 각각 양자화 잡음 전력, kT/C 잡음 전력, 잔류전압 증폭기 및 두 번째 단 비교기의 입력-기준 잡음 전력을 나타낸다. 수학식 1로부터, 10비트 T-I ADC에 요구되는 성능을 얻기 위해서는 PCOMP가 1mVRMS 이하로 설계되어야 하며, 이때 예상되는 SNR은 약 59.32dB 수준이다. In Equation (1), P S and P N denote the power of the input signal and the power of the total noise, respectively, and P Q , P C , P A and P COMP denote the quantization noise power, the kT / C noise power, Represents the input-referred noise power of the second stage comparator. From Equation (1), in order to obtain the performance required for a 10-bit TI ADC, P COMP is 1 mV RMS And the expected SNR is about 59.32dB.
도 4는 본 발명에 따른 이중 채널 SAR ADC 장치의 두 번째 단에 사용되는 공유 비교기의 구조를 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating the structure of a shared comparator used in the second stage of a dual channel SAR ADC device according to the present invention.
도 4를 참고하면, 비교기(220)에 사용된 트랜지스터의 사이즈는 비교기의 속도 및 입력 기준 잡음의 크기를 고려하여 결정할 수 있다. Referring to FIG. 4, the size of the transistor used in the
아래 표 1에서는 기존에 발표된 비교기들과 본 발명에 따른 비교기의 동작속도, 킥-백(kick-back) 잡음 및 입력 기준 잡음을 비교하여 나타냈으며, 설계된 비교기의 잡음 크기는 750uVRMS이다.Table 1 below shows the comparison of the previously announced comparators with the operation speed, kick-back noise and input reference noise of the comparator according to the present invention, and the designed noise level of the comparator is 750 uV RMS .
[표 1][Table 1]
표 1에 예시한 것과 같이, 본 발명에 따른 두 번째 단에 사용되는 비교기(220)는 별도의 보정기법을 사용하지 않고도, 다른 구조의 비교기와 비교했을 때 빠른 동작속도에서 낮은 킥-백(kick-back) 잡음 및 입력 기준 잡음 특성을 보이는 것을 알 수 있다.As illustrated in Table 1, the
한편 일반적인 T-I 구조의 파이프라인 ADC의 경우, 각 채널의 입력단 SHA(Sampling-and-Hold Amplifier) 및 첫 번째 단 MDAC(Multiplying D/A Converter) 증폭기에 서로 다른 크기의 오프셋 및 이득 부정합이 존재하며, 이러한 오프셋 및 이득 부정합이 전체 ADC의 성능저하의 주요 원인이 된다. 따라서 10비트 T-I ADC에 요구되는 성능을 만족시키기 위해서는 오프셋 및 이득 정합이 10비트 이상의 수준으로 설계되어야 한다. 그러나 기존의 파이프라인 ADC는 이중채널 구현을 위해 각 단에서 결정하는 비트수와 무관하게 기본적으로 총 2개 이상의 증폭기가 필요하여 추가적인 보정회로 없이 10비트 수준 이상의 정합성을 확보하기 어려울 뿐만 아니라, 채널 별로 각각의 증폭기를 사용할 경우 전력소모 및 면적 측면에서도 효율성이 떨어진다.On the other hand, in the case of a pipelined ADC having a general TI structure, offset and gain mismatches of different sizes exist in the input stage SHA (Sampling-and-Hold Amplifier) and the first stage MDAC (Multiplying D / A Converter) These offset and gain mismatches are the main causes of the degradation of the overall ADC. Therefore, the offset and gain matching must be designed to be at least 10 bits in order to meet the performance requirements of a 10-bit T-I ADC. However, the conventional pipelined ADC requires two or more amplifiers in total, regardless of the number of bits to be determined for each channel for dual channel implementation. Thus, it is difficult to ensure compatibility with 10 bits or more without additional correction circuit, If each amplifier is used, efficiency is also low in terms of power consumption and area.
도 5는 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치에 사용되는 잔류전압 증폭기의 구조를 자세히 나타낸 도면이다.5 is a detailed view illustrating a structure of a residual voltage amplifier used in a dual channel SAR ADC device according to the present invention.
본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 도 5에 예시한 것과 같이 하나의 잔류전압 증폭기를 각 채널 간에 공유함으로써 오프셋 및 이득 부정합 문제를 해결함과 동시에 전력소모 및 면적을 최소화할 수 있다. 하나의 증폭기만 사용함으로써 두 개의 증폭기를 사용할 경우에 비해 전력소모 및 면적을 50% 수준으로 줄일 수 있으며, 증폭기의 요구사양을 낮추기 위한 레인지-스케일링(range-scaling) 기법을 적용함으로써 추가적으로 전력소모를 줄일 수 있다.The dual channel SAR ADC device according to the present invention can solve the offset and gain mismatch problems and minimize the power consumption and area by sharing one residual voltage amplifier between the channels as illustrated in FIG. By using only one amplifier, the power consumption and area can be reduced to 50% compared to using two amplifiers. By applying range-scaling technique to lower the requirement of the amplifier, additional power consumption Can be reduced.
본 발명에 따른 잔류전압 증폭기(300)는 분리된 두 쌍의 입력단을 사용하여 두 개의 채널을 공유하였으며, 사용하지 않는 채널을 리셋시킴으로써 공유기법에서 발생하는 메모리 효과를 제거할 수 있다. 또한, 일부 구간에서 중첩된 클록 Q1MB 및 Q2MB를 사용하여 두 입력단 트랜지스터가 동시에 꺼졌다가 켜질 때 발생할 수 있는 글리치 및 신호의 정착시간 지연문제를 해결할 수 있다. 또한 2단 증폭기 구조를 사용함으로써 나노미터 공정에서 짧아진 채널 길이 및 낮아진 전원전압에서도 높은 전압이득을 가지며 충분한 출력 신호 스윙을 얻을 수 있다. 첫 번째 증폭기에는 높은 전압이득을 위해 이득-부스팅 구조의 폴디드 캐스코드 구조를 사용할 수 있으며, 두 번째 증폭기에는 충분한 출력 신호 스윙을 위해 공통-소스 구조를 적용할 수 있다.The
다시 도 1을 참고하면, 앞에서 설명한 것과 같이 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 순차적으로 각각 4비트 및 7비트를 결정하는 2단 파이프라인 구조를 적용하였으며, 첫 번째 단의 4비트 SAR ADC(110a, 110b)에는 샘플링된 신호를 추가적인 스위칭 동작 없이 공통모드전압 VCM과 직접 비교하는 VCM 기반의 스위칭 기법을 사용하여 C-DAC 내 가장 큰 커패시터인 23CU를 제거할 수 있다.Referring again to FIG. 1, as described above, the dual-channel SAR ADC device according to the present invention adopts a two-stage pipeline structure sequentially determining 4 bits and 7 bits, respectively, 110a, and 110b, the V CM- based switching scheme that directly compares the sampled signal with the common mode voltage V CM without additional switching operations can be used to remove the largest capacitor, 2 3 C U , in the C-DAC.
두 번째 단의 7비트 SAR ADC(210a, 210b)의 경우 첫 번째 단의 4비트 SAR ADC(110a, 110b)에 비해 처리해야 하는 비트수가 더 많은 만큼 지수적으로 증가한 단위 커패시터의 수로 인해 면적 및 전력소모도 늘어나게 된다. 이러한 단점을 없애기 위해 두 번째 단 7비트 SAR ADC(210a, 210b)에 분리형 가중치 커패시터 (CA)를 이용한 2단계 구조의 커패시터열을 사용할 경우, CA의 크기가 단위 커패시터의 정수배가 되지 못하여 상위 커패시터열 및 하위 커패시터열 간의 부정합이 발생하며 이는 또한 다른 성능저하의 요인이 될 수 있다.In the case of the second-stage 7-
이를 해결하기 위해 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 두 번째 단에 형성되는 SAR ADC의 DAC 를 R-2R 기반의 저항열로 이루어진 DAC와 커패시터열로 이루어지는 DAC로 구현할 수 있다.In order to solve this problem, the dual-channel SAR ADC device of the present invention can implement the DAC of the SAR ADC formed in the second stage with a DAC composed of R-2R-based resistance series and a DAC composed of a capacitor series.
도 6은 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 두 번째 단에 형성되는 SAR ADC의 DAC 구조를 예시한 도면이다.6 is a diagram illustrating a DAC structure of a SAR ADC formed in a second stage of a dual channel SAR ADC device according to the present invention.
본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 두 번째 단에 형성되는 SAR ADC(210a, 210b)는 CA를 이용한 2단계 구조를 적용하지 않고, 도 6에 예시한 것과 같이 VCM 기반의 스위칭 기법 및 R-2R 저항기반의 DAC을 사용하여 최상위 비트 및 최하위 2비트를 결정하는 C&R-2R DAC 구조를 적용하여 커패시터의 수를 줄이는 동시에 면적 및 전력소모도 최소화할 수 있다.SAR ADC (210a, 210b) formed in the second stage of the dual-channel SAR ADC system according to the present invention, the switching mechanism of the V CM based as one without applying the two-stage structure using a C A, illustrated in Figure 6, and Using the R-2R resistor-based DAC, the C & R-2R DAC structure, which determines the most significant bit and the least significant 2 bits, can be applied to reduce the number of capacitors while minimizing area and power consumption.
도 1 및 도 6을 참고하면, 두 번째 단 7비트 SAR ADC(210a, 210b)는 샘플링 된 신호를 추가적인 스위칭 동작 없이 VCM과 직접 비교하여 최상위 비트를 결정하는 VCM기반의 스위칭 기법을 통해 DAC 내 가장 큰 면적을 차지하며 최상위 비트를 결정하는 커패시터 (26CU)를 제거할 수 있다. 커패시터열은 VCM을 기준으로 스위칭 동작을 하기 때문에 ADC의 선형성 저하 요인이 되는 비교기의 입력단 공통모드전압 VCM 변화에 따른 동적 오프셋이 발생하지 않으며, 커패시터 양단의 전압변화가 기존의 일반적인 스위칭 기법 대비 절반으로 줄어들어 DAC에서 소모되는 전력은 기존 대비 약 90% 감소시킬 수 있다.1 and reference to Figure 6, the second end 7-bit SAR ADC (210a, 210b) is a DAC through a switching mechanism of the V CM base to determine the most significant bit to directly compare V CM of the sampled signal with no additional switching operation The capacitor (2 6 C U ) occupying the largest area and determining the most significant bit can be removed. Capacitor column V CM because the switching operation based on the dynamic offset of the input common mode voltage of the comparator that the linearity deterioration ADC V CM change does not occur, the change in voltage across the capacitor compared to existing typical switching technique The power consumption of the DAC can be reduced by about 90% compared with the conventional one.
한편 기존에 발표된 저항 열을 사용하여 생성한 6개의 기준전압을 인가해 주는 기법의 경우 저항 열을 통해 일정한 정적전류가 흐르게 되며, 이에 따른 불필요한 전력을 소모한다. On the other hand, in the case of the technique of applying the six reference voltages generated by using the previously disclosed resistance column, a constant static current flows through the resistance column, and unnecessary power is consumed accordingly.
이에 반해 본 발명에 따른 SAR ADC(210a, 210b)은 R-2R 구조를 가지는 저항 열로 이루어지는 R-2R DAC(211)와 커패시터열로 이루어지는 커패시터 DAC(212)를 포함하는 커패시터-저항 하이브리드 DAC를 포함할 수 있다.In contrast, the SAR ADCs 210a and 210b according to the present invention include a capacitor-resistor hybrid DAC including an R-2R DAC 211 formed of a resistive column having an R-2R structure and a
R-2R DAC(211)는 샘플링된 입력 신호의 하위 비트를 결정하고, 커패시터 DAC(212)는 샘플링된 입력 신호의 상위 비트를 결정한다. 예컨대 SAR ADC(210a, 210b)에서 결정되는 7 비트 중에서 최상위 비트는 VCM기반의 스위칭 기법에 의해 결정되고, R-2R DAC(211)에서는 하위 2 비트가 정해지며, 나머지 4 비트는 커패시터 DAC(212)에서 결정된다.The R-2R DAC 211 determines the low order bits of the sampled input signal and the
이와 같이 R-2R 저항기반의 구조가 적용된 R-2R DAC(211)를 이용할 경우 비동기 SAR 동작이 끝난 후 스위치를 통해 R-2R DAC(211) 양단에 동일한 전압을 인가하여 저항 열에서 소비되는 정적전류에 의한 불필요한 전력소모를 제거함과 동시에 R-2R DAC(211)를 통해 생성된 기준전압을 이용하여 최하위 2비트를 결정함으로써 커패시터열의 가장 큰 커패시터 두 개 (25CU 및 24CU)를 추가적으로 제거할 수 있다. 따라서 총 128개의 커패시터를 사용하는 일반적인 7비트 SAR ADC에 비해 본 발명에 따라 두 기법을 적용한 두 번째 단의 7비트 SAR ADC(210a, 210b)는 단 16개의 커패시터만을 사용함으로써 면적 및 전력소모를 크게 줄일 수 있다.When the R-2R DAC 211 with the R-2R resistance based structure is used, the same voltage is applied across the R-2R DAC 211 through the switch after the asynchronous SAR operation, (2 5 C U and 2 4 C U ) of the capacitor row by determining the least significant two bits using the reference voltage generated by the R-2R DAC 211 while eliminating unnecessary power consumption by the current, Can be additionally removed. Accordingly, the 7-
한편, 두 번째 단의 7비트 SAR ADC(210a, 210b)에서 레인지-스케일링(range-scaling)된 입력신호를 처리하기 위해 기준전압 발생기를 추가할 경우, 전력소모 및 면적은 급격히 증가한다. 따라서 두 번째 단 7비트 SAR ADC(210a, 210b)의 커패시터열(212)에 24CU 만을 추가함으로써 추가적인 기준전압 없이 효율적으로 레인지-스케일링(range-scaling)된 입력신호를 처리할 수 있다.On the other hand, when a reference voltage generator is added to process a range-scaled input signal in the second-stage 7-
보다 자세하게는 R-2R DAC(211)는 공통모드전압 VCM 입력단에 일단이 스위칭 소자에 의해 연결되는 제1 저항(2111), 공통모드전압 VCM 입력단, 제1 기준전압 입력단(VREF+) 및 제2 기준전압 입력단(VREF -)에 각각 스위칭 소자에 의해 일단이 연결되는 제2 저항(2112) 및 제3 저항(2113), 그리고 제2 저항(2112) 및 제3 저항(2113)을 연결하는 제4 저항(2114)을 포함할 수 있다. 그리고 제1 저항(2111), 제2 저항(2112) 및 제3 저항(2113)은 제4 저항(2114) 보다 2배의 저항값을 가지도록 구현할 수 있다. 그리고 R-2R DAC(211)에서 1 비트를 더 처리하도록 하기 위해서는 커패시터열(212)과 R-2R DAC(211) 사이에 RU-2RU 의 저항열을 추가적으로 부가할 수 있다.More particularly R-2R DAC (211) is a common-mode voltage V CM
도 2에 도시된 두 번째 단의 7b SAR ADC의 타이밍도를 참고하여 잔류 전압 샘플링 주기에서의 두 번째 단의 7b SAR ADC의 DAC의 동작에 대해 설명한다.Referring to the timing chart of the 7b SAR ADC of the second stage shown in FIG. 2, the operation of the DAC of the
도 2 및 도 6을 참고하면, 도 6의 VOUT - 쪽에 연결되어 있는 VCM 스위치가 열리면서 잔류 전압 샘플링(residue Sampling)이 종료되며 R-2R DAC(211)를 포함한 모든 커패시터열의 하부 플레이트(bottom-plate)는 공통모드전압 VCM 연결될 수 있다. 그리고 SAR Op.(SAR Operation)이 시작되며, 이때, VCM 스위칭 기법에 의해 상부 플레이트(top-plate)의 샘플링된 입력 신호와 하부 플레이트(bottom-plate)의 공통모드전압 VCM을 바로 비교하여 최상위 비트(most significant bit)(MSB) 값을 결정할 수 있다.Referring to FIGS. 2 and 6, the V CM switch connected to the V OUT - side of FIG. 6 is opened to terminate the residual voltage sampling and the bottom plate of all the capacitor rows including the R-2R DAC 211 -plate) can be connected to the common-mode voltage V CM . Then, the SAR Op. (SAR Operation) is started. At this time, the sampled input signal of the top plate is directly compared with the common mode voltage V CM of the bottom plate by the V CM switching technique The most significant bit (MSB) value can be determined.
다음으로 비교기(220)를 통해 나온 값이 도 1에 예시한 것처럼 비동기 SAR 로직으로 들어가게 되고, 비동기 SAR 로직의 출력 값에 따라 커패시터 DAC(212) 및 R-2R DAC(211)의 스위치 동작이 결정된다. 여기서 R-2R DAC(211)의 스위칭 동작은 입력신호 샘플링 스위칭을 제외한 커패시터열의 스위칭 동작과 동일하다.Then, the value output through the
도 7은 동기 방식 SAR 알고리즘의 타이밍과 비동기 SAR 알고리즘의 타이밍을 비교하기 위해 제공되는 도면이다.7 is a diagram provided for comparing the timing of the synchronous SAR algorithm and the timing of the asynchronous SAR algorithm.
일반적인 동기 방식의 N비트 SAR ADC의 경우 도 7(a)와 같이 MSB로부터 LSB까지 샘플링 동작 후 동일한 주기를 갖는 N 번의 변환 과정이 필요하게 되며, 이때 필요한 내부 클록은 비교기의 동작시간, 디지털 로직의 지연시간 및 기준전압 정착시간 중 가장 긴 시간을 기반으로 하여 전체 주기가 결정된다.In the case of the N-bit SAR ADC of the general synchronization type, as shown in FIG. 7 (a), N conversion processes having the same period after the sampling operation from the MSB to the LSB are required. The overall period is determined based on the longest time of the delay time and the reference voltage settling time.
이와 같이 가장 긴 주기를 고려하여 설계한 내부 클록의 경우에는 일부 신호는 다음 신호의 클록을 기다리는 무동작 (IDLE) 상태가 존재하게 되며, 이는 고속 동작을 제한한다. 반면에 비동기 SAR ADC의 경우 각 동작의 완료와 함께 다음 동작을 수행함으로 이러한 IDLE 상태가 존재하지 않으며, 따라서 고속 동작을 하는데 유리하다.In the case of an internal clock designed considering the longest period, some signals have an IDLE state waiting for a clock of the next signal, which limits high-speed operation. On the other hand, in the case of the asynchronous SAR ADC, there is no such IDLE state because it performs the next operation together with the completion of each operation, which is therefore advantageous for high-speed operation.
본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치에 동기 방식의 SAR 알고리즘을 적용할 경우 첫 번째 단 4비트 SAR ADC 및 두 번째 단 7비트 SAR ADC에는 각각 1.6GHz 및 1.4GHz의 높은 주파수를 갖는 클록신호가 필요하다. 그러나 샘플링 및 증폭 동작을 위한 100MHz 클록과 SAR 동작을 위한 높은 주파수의 클록을 동시에 외부에서 인가받을 경우 두 클록 신호의 동기 문제가 발생하는 단점이 있으며, 이를 시제품 내부에서 자체적으로 높은 주파수의 클록을 생성할 경우 1.6GHz, 1.4GHz의 높은 주파수를 갖는 클록 생성으로 인해 전력소모 및 면적이 증가하게 된다.When a synchronous SAR algorithm is applied to a dual channel SAR ADC device according to the present invention, the first stage 4-bit SAR ADC and the second stage 7-bit SAR ADC each require a clock signal having a high frequency of 1.6 GHz and 1.4 GHz, respectively Do. However, when a 100 MHz clock for sampling and amplification operation and a high frequency clock for SAR operation are simultaneously applied from the outside, a synchronization problem of two clock signals occurs. Clock generation with high frequencies of 1.6 GHz and 1.4 GHz results in increased power consumption and area.
따라서 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 도 7(b)와 같은 타이밍의 비동기 SAR 알고리즘을 적용함으로써 자체적으로 높은 주파수의 클록을 생성하지 않고도 고속의 SAR 동작을 구현하였을 뿐만 아니라, 내부 클록 발생기를 아예 제거하여 면적 및 전력소모를 최소화하는 것이 바람직하다.Therefore, the dual-channel SAR ADC according to the present invention not only realizes a high-speed SAR operation without generating a high-frequency clock itself by applying the asynchronous SAR algorithm at the timing shown in FIG. 7 (b) It is desirable to remove the area completely and minimize power consumption.
한편 비교기를 기반으로 하는 SAR ADC는 비교기에 매우 작은 입력신호가 인가될 때 발생하는 준안정 상태에 의해 비교기의 출력이 로직 수준 값으로 최종 결정되는 데까지 시간이 길어지게 되며, 이는 전체 ADC의 동작속도 및 성능에 영향을 준다. 이러한 비교기 준안정성 문제를 줄이기 위해 종래에는 램프(ramp) 신호 발생기를 추가하여 비교기에 준안정 상태가 발생한 경우 플래그(flag)를 발생시키는 로직을 이용하였다. 그러나 이는 복잡한 디지털 회로가 추가되면서 면적 및 전력소모를 증가시키는 문제점이 있었다.On the other hand, a SAR ADC based on a comparator will take a long time until the output of the comparator is finally determined as a logic level value due to the metastable state generated when a very small input signal is applied to the comparator, And performance. Conventionally, a ramp signal generator is added to reduce the comparator metastability problem, and a logic is used to generate a flag when a metastable state occurs in the comparator. However, this has the problem of increasing area and power consumption due to the addition of complicated digital circuits.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에 따른 비교기에서는 도 8과 같이 간단한 구조의 준안정상태 감지회로를 포함하여 비교기의 준안정상태로 인한 출력오류를 줄였다.In order to solve this problem, the comparator according to the present invention includes a metastable state sensing circuit having a simple structure as shown in FIG. 8, thereby reducing the output error due to the metastable state of the comparator.
도 8은 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치에 적용된 준안정상태 감지회로를 설명하기 위해 제공되는 도면이고, 도 9는 준안정상태 감지 로직의 동작 원리를 설명하기 위해 제공되는 타이밍도이다.FIG. 8 is a diagram for explaining a metastable state sensing circuit applied to a dual channel SAR ADC device according to the present invention, and FIG. 9 is a timing diagram provided to explain the operation principle of the metastable state sensing logic.
도 8 및 도 9를 참고하면, 본 발명에 따른 비교기(220)는 클록 타이밍 회로(500)에서 출력되는 클록 신호(CKL), CKL를 소정 시간 지연한 클록 지연 신호(CKL_D) 및 비교기(200)의 동작 완료에 대응하는 준비 신호(READY)를 입력받아 비교기(220)의 준안정 상태를 감지하고, 비교기(220)의 준안정 상태를 감지하면 비교기(220)가 미리 정해진 출력을 내보내고 다음 동작을 수행하게 하는 감지 신호(META)를 출력하는 감지 회로부(meta-stable detection logic)(221)를 포함할 수 있다.8 and 9, the
예컨대 도 9에 예시한 것과 같이 READY 신호가 CKL, CKL_D 사이에서 0이 되지 않고 계속 1로 남아있게 되면 도 8의 NAND 게이트(222)에서 0을 출력해 연결되어 있는 PMOS를 턴온(turn on)시켜 비교기(220)의 출력을 강제로 1로 만들어 버림으로써 해당 비교 동작을 종료하고 다음 비교 동작을 수행하게 할 수 있다.For example, as shown in FIG. 9, when the READY signal does not become 0 between CKL and CKL_D but remains 1, the
이와 같이 본 발명에 따른 비교기의 준안정 상태(meta-stable state)를 감지하는 감지 회로부(221)는 가변 지연시간을 가지는 버퍼 및 간단한 로직을 이용하여 비교기의 준안정 상태로 인한 출력오류를 줄일 수 있다.As described above, the
도 10은 본 발명에 따라 모의 실험한 비교기의 준안정상태 감지 결과를 나타낸 도면이다.10 is a diagram showing a result of metastable state detection of a comparator simulated according to the present invention.
본 발명에 따른 감지 회로부(221)는 도 10과 같이 일정 시간 동안 비교기의 동작 완료를 알리는 READY 신호가 출력되지 않을 경우, 비교기의 출력을 높은 로직 수준으로 결정하는 META 신호를 생성하는 것을 확인하였다.As shown in FIG. 10, the
한편 전형적인 파이프라인 SAR ADC에서는 고속 동작을 하는 SAR ADC 및 높은 정확도가 요구되는 잔류전압 증폭기가 혼재되어 있으므로 서로 다른 동작 모드가 중첩되어 일부 기준전압 정착동작이 불안정할 수 있다. On the other hand, a typical pipelined SAR ADC may contain a SAR ADC with high-speed operation and a residual voltage amplifier that requires high accuracy, so that different operation modes may overlap and some reference reset operation may be unstable.
도 11은 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치에서 하나의 기준 전압을 공유하는 경우와 기준전압 구동회로를 분리한 경우를 비교하여 설명하기 위해 제공되는 도면이다.11 is a view for explaining a comparison between a case where one reference voltage is shared and a case where a reference voltage driving circuit is separated in a dual channel SAR ADC device according to the present invention.
도 11을 참고하면, 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 잔류전압 증폭 시 사용되는 기준전압은 10비트의 높은 정확도가 요구되지만, 도 11(a)와 같이 하나의 기준전압을 공유할 시 고속 SAR 동작에 의해 기준전압 간섭문제가 발생하여 10비트의 높은 정확도를 갖는 기준전압 생성에 제약이 있다. 반면, 도 11(b)와 같이 SAR 동작 및 잔류전압 증폭 시 사용되는 기준전압 중 최종 구동회로만을 각각 분리하여 설계한 경우, SAR ADC의 고속 스위칭 동작에 의한 기준전압 간섭을 최소화하여 높은 정확도의 기준전압을 생성할 수 있다. Referring to FIG. 11, in the dual channel SAR ADC device according to the present invention, the reference voltage used in the residual voltage amplification is required to have a high accuracy of 10 bits. However, as shown in FIG. 11 (a) The SAR operation causes the problem of the reference voltage interference, and there is a restriction on the generation of the reference voltage having a high accuracy of 10 bits. On the other hand, in the case of separately designing the final driving circuit among the reference voltages used in the SAR operation and the residual voltage amplification as shown in FIG. 11 (b), the reference voltage interference due to the fast switching operation of the SAR ADC is minimized, Voltage can be generated.
따라서 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 첫 번째 단의 4비트 SAR 동작, 잔류전압 증폭 및 두 번째 단의 7비트 SAR 동작을 위한 기준전압 구동회로를 각각 분리하는 것이 바람직하다. 이와 같이 잔류전압 증폭을 위해 10비트 수준의 높은 해상도를 갖는 기준전압 구동회로와 SAR ADC 동작을 위해 4비트 및 7비트 수준의 해상도를 갖는 기준전압 구동회로를 분리함으로써 기준전압 간섭 및 채널 간 이득 부정합 문제를 줄일 수 있다. 그리고 기준전압 발생회로는 공유함으로써 면적 및 전력소모를 최적화할 수 있다.Therefore, the dual channel SAR ADC device according to the present invention preferably separates the reference voltage driving circuit for the 4-bit SAR operation, the residual voltage amplification in the first stage, and the 7-bit SAR operation in the second stage, respectively. In order to amplify the residual voltage, a reference voltage driving circuit having a high resolution of 10 bits and a reference voltage driving circuit having a resolution of 4 bits and 7 bits are operated for SAR ADC operation, thereby generating reference voltage interference and interchannel gain inconsistency Problems can be reduced. The reference voltage generation circuit can be shared to optimize the area and power consumption.
도 12는 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치가 칩 상에 구현된 것을 도시한 것이고, 도 13은 도 12의 이중채널 SAR ADC 장치의 측정된 DNL(differential non-linearity) 및 INL(integral non-linearity)을 예시한 도면이며, 도 14는 도 12의 이중채널 SAR ADC 장치의 측정된 FFT 스펙트럼을 예시한 도면이다.FIG. 12 illustrates a dual channel SAR ADC device according to the present invention implemented on a chip, FIG. 13 illustrates a measured differential non-linearity (DNL) and an integral non- linearity, and FIG. 14 is a diagram illustrating a measured FFT spectrum of the dual channel SAR ADC device of FIG.
도 12에서 예시된 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 10비트 200MS/s 파이프라인 SAR ADC로써, 28nm CMOS 공정으로 제작되었으며, 전체 면적은 0.23mm2이다. 레이아웃은 도 12에 예시한 것과 같이 중앙에 동작에 가장 중요한 잔류전압 증폭기를 배치하였고 이를 중심으로 이중채널의 첫 번째 단 및 두 번째 단 SAR ADC를 대칭으로 배치하였다. 또한 커패시터 부정합을 최소화하기 위해 두 채널의 커패시터를 교대로 섞어서 칩 중앙에 배치하였다.The dual channel SAR ADC device according to the present invention illustrated in FIG. 12 is a 10
도 12에서 예시된 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치에 의하면, 각 동작회로 블록을 제외한 유휴 공간의 경계지역에는 890pF 수준의 MOS 온-칩 커패시터를 집적하여, 전원전압의 잡음, 고속 스위칭에 의한 기준전압의 잡음 및 각 블록 간의 간섭현상을 최소화할 수 있다. 그리고 1.0V의 아날로그 및 디지털 전원전압, 200MS/s의 동작속도에서 기준전압 발생기를 포함하였을 경우 6.7mW의 전력을 소모하며 기준전압 발생기를 사용하지 않을 경우 3.6mW의 전력을 소모한다. According to the dual channel SAR ADC device of the present invention illustrated in FIG. 12, MOS on-chip capacitors of the level of 890 pF are integrated in the boundaries of the idle spaces except for each operation circuit block, The noise of the reference voltage and the interference between the blocks can be minimized. It consumes 6.7mW when the reference voltage generator is included at 1.0V analog and digital power supply voltage, 200MS / s and consumes 3.6mW when the reference voltage generator is not used.
도 12에서 예시된 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치에 대해 측정된 DNL 및 INL은 도 13과 같이 각각 최대 0.71LSB, 0.70LSB 수준인 것을 확인하였다.The measured DNL and INL for the dual channel SAR ADC device according to the present invention illustrated in FIG. 12 were found to be 0.71 LSB and 0.70 LSB, respectively, as shown in FIG.
한편, 도 14는 4MHz 입력 주파수, 25MS/s, 160MS/s 및 200MS/s 동작속도에서 측정한 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 전형적인 신호 스펙트럼을 나타낸다. 세 가지 동작속도에서 모두 fs/2 지점에 톤이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 두 채널 간 비교기 공유기법을 통해 채널 간 오프셋 부정합 문제가 적절하게 해결되었음을 알 수 있다.14 shows a typical signal spectrum of a dual channel SAR ADC device according to the present invention measured at 4 MHz input frequency, 25 MS / s, 160 MS / s and 200 MS / s operating speed. It can be seen that no tone occurs at the fs / 2 point at all three operating speeds, and it can be seen that the offset mismatch problem between channels is solved properly by the comparator sharing technique between two channels.
도 15는 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 샘플링 주파수에 따라 측정된 SNDR(signal-to-noise-and-distortion ratio) 및 SFDR(spurious-free dynamic range)을 나타낸 도면이고, 도 16은 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 입력 주파수에 따른 동적 성능을 나타낸 도면이다.FIG. 15 is a graph showing signal-to-noise-and-distortion ratio (SNDR) and spurious-free dynamic range (SFDR) measured according to a sampling frequency of a dual channel SAR ADC device according to the present invention, FIG. 3 is a graph illustrating dynamic performance of a dual-channel SAR ADC according to an embodiment of the present invention; FIG.
도 15는 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 측정된 동적 성능을 요약한 그래프이며, 동작속도가 25MS/s에서 200MS/s까지 증가할 때 4MHz 차동입력 주파수에서의 SNDR 및 SFDR을 보여주고 있다. 동작속도 160MS/s까지 SNDR 및 SFDR은 각각 51.44dB, 62.51dB 이상으로 유지되며, 180MS/s 이상부터 약 3dB의 성능이 저하되는 것을 보여준다.Figure 15 is a graph summarizing the measured dynamic performance of a dual channel SAR ADC device in accordance with the present invention showing SNDR and SFDR at a 4MHz differential input frequency as the operating speed increases from 25MS / s to 200MS / s . SNDR and SFDR are maintained at 51.44dB and 62.51dB, respectively, up to the operation speed of 160MS / s, and the performance is degraded by about 3dB from 180MS / s or more.
도 16은 160MS/s의 동작속도에서 입력 주파수가 증가함에 따른 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 동적 성능을 보여주며, T-I 구조를 적용하였음에도 나이퀴스트(Nyquist) 입력 주파수에서 SNDR 및 SFDR이 각각 51.07dB, 60.94dB 수준으로 성능이 유지되는 것을 확인할 수 있다. 또한 3dB ERBW(effective resolution bandwidth)는 100MHz로 측정되어 Nyquist 이상의 높은 입력 주파수에 대해서도 큰 성능 저하가 없음을 확인할 수 있다.FIG. 16 shows the dynamic performance of the dual channel SAR ADC device according to the present invention as the input frequency increases at an operating speed of 160 MS / s. Even though the TI structure is applied, the SNDR and SFDR at the Nyquist input frequency The performance is maintained at 51.07dB and 60.94dB respectively. Also, the effective resolution bandwidth (3 dB ERBW) is measured at 100 MHz, which means that there is no significant performance degradation at high input frequencies above Nyquist.
본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치의 측정된 성능 결과를 표 2에 요약하였으며, 표 3에는 기존에 발표된 T-I ADC의 성능을 제안한 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치와 비교하였다. 본 발명에 따른 이중채널 SAR ADC 장치는 T-I 구조에서 별도의 보정기법을 사용하지 않고도 Nyquist 입력 주파수에서 51dB 이상의 SNDR을 유지하며, FoM(figure of merit) 측면에서 우수한 성능을 보이는 것을 확인하였다.The measured performance results of the dual channel SAR ADC device according to the present invention are summarized in Table 2. Table 3 compares the performance of the previously announced T-I ADC with the proposed dual channel SAR ADC device. The dual-channel SAR ADC device according to the present invention maintains SNDR of 51 dB or more at Nyquist input frequency without using a separate calibration technique in the T-I structure, and shows excellent performance in terms of FoM (figure of merit).
[표 2][Table 2]
[표 3][Table 3]
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And all changes and modifications to the scope of the invention.
Claims (8)
상기 첫 번째 단과 상기 두 번째 단 사이에 위치하고, 상기 제1 SAR ADC와 상기 제2 SAR ADC 중에서 선택된 SAR ADC의 잔류전압 증폭을 수행하는 잔류전압 증폭기 및,
클록 신호를 생성하는 클록 타이밍 회로부를 포함하고,
상기 제1 비교기는 상기 클록 신호, 상기 클록 신호를 소정 시간 지연한 클록 지연 신호 및 상기 제1 비교기의 동작 완료에 대응하는 준비 신호를 입력받아 상기 제1 비교기의 준안정 상태를 감지하고, 상기 제1 비교기의 준안정 상태를 감지하면 상기 제1 비교기가 미리 정해진 출력을 내보내고 다음 동작을 수행하게 하는 감지 신호를 출력하는 제1 감지 회로부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC.The first stage is formed such that the first SAR ADC and the second SAR ADC implemented as dual channels each include asynchronous SAR logic and a DAC and share a first comparator and the second stage is formed by a third SAR ADC And the fourth SAR ADC are configured to include the asynchronous SAR logic and the DAC, respectively, and share the second comparator,
A residual voltage amplifier located between the first stage and the second stage for performing a residual voltage amplification of the SAR ADC selected from the first SAR ADC and the second SAR ADC,
And a clock timing circuit portion for generating a clock signal,
Wherein the first comparator receives the clock signal, a clock delay signal delayed by a predetermined time of the clock signal, and a ready signal corresponding to the completion of the operation of the first comparator to sense the metastable state of the first comparator, And a first sensing circuit for outputting a sensing signal for causing the first comparator to output a predetermined output and to perform a next operation when the first comparator senses a metastable state of the first comparator,
Channel asynchronous pipeline SAR ADC.
상기 첫 번째 단과 상기 두 번째 단 사이에 위치하고, 상기 제1 SAR ADC와 상기 제2 SAR ADC 중에서 선택된 SAR ADC의 잔류전압 증폭을 수행하는 잔류전압 증폭기 및,
클록 신호를 생성하는 클록 타이밍 회로부를 포함하고,
상기 제2 비교기는 상기 클록 신호, 상기 클록 신호를 소정 시간 지연한 클록 지연 신호 및 상기 제2 비교기의 동작 완료에 대응하는 준비 신호를 입력받아 상기 제2 비교기의 준안정 상태를 감지하고, 상기 제2 비교기의 준안정 상태를 감지하면 상기 제2 비교기가 미리 정해진 출력을 내보내고 다음 동작을 수행하게 하는 감지 신호를 출력하는 제2 감지 회로부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC.The first stage is formed such that the first SAR ADC and the second SAR ADC implemented as dual channels each include asynchronous SAR logic and a DAC and share a first comparator and the second stage is formed by a third SAR ADC And the fourth SAR ADC are configured to include the asynchronous SAR logic and the DAC, respectively, and share the second comparator,
A residual voltage amplifier located between the first stage and the second stage for performing a residual voltage amplification of the SAR ADC selected from the first SAR ADC and the second SAR ADC,
And a clock timing circuit portion for generating a clock signal,
Wherein the second comparator receives the clock signal, a clock delay signal delayed by a predetermined time of the clock signal, and a ready signal corresponding to the completion of the operation of the second comparator to sense the metastable state of the second comparator, And a second sensing circuit for outputting a sensing signal for causing the second comparator to output a predetermined output and to perform a next operation when a metastable state of the second comparator is sensed,
Channel asynchronous pipeline SAR ADC.
상기 제3 SAR ADC 및 상기 제4 SAR ADC는,
샘플링된 입력 신호의 상위 비트를 결정하는 커패시터열과, 상기 샘플링된 입력 신호의 하위 비트를 결정하는 저항열을 각각 포함하는 커패시터-저항 하이브리드 DAC를 각각 포함하고,
상기 저항열은,
공통모드전압 입력단에 일단이 스위칭 소자에 의해 연결되는 제1 저항,
상기 공통모드전압 입력단, 제1 기준전압 입력단 및 제2 기준전압 입력단에 각각 스위칭 소자에 의해 일단이 연결되는 제2 저항 및 제3 저항,
상기 제2 저항 및 상기 제3 저항을 연결하는 제4 저항
을 포함하고,
상기 제1 저항, 상기 제2 저항 및 상기 제3 저항은 상기 제4 저항보다 2배의 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC.3. The method according to claim 2 or 3,
The third SAR ADC and the fourth SAR ADC,
A capacitor-resistor hybrid DAC, each of which includes a capacitor row that determines upper bits of the sampled input signal and a resistor row that determines a lower bit of the sampled input signal,
The resistance column
A first resistor whose one end is connected to the common mode voltage input terminal by a switching element,
A second resistor and a third resistor, one end of which is connected to the common mode voltage input terminal, the first reference voltage input terminal, and the second reference voltage input terminal,
And a fourth resistor connecting the second resistor and the third resistor
/ RTI >
Wherein the first resistor, the second resistor, and the third resistor have a resistance twice that of the fourth resistor.
상기 커패시터-저항 하이브리드 DAC는
상기 샘플링된 입력 신호를 상기 공통모드전압과 비교하여 최상위 비트를 결정하는 것을 특징으로 하는 이중채널 비동기 파이프라인 SAR ADC.5. The method of claim 4,
The capacitor-resistor hybrid DAC
And comparing the sampled input signal with the common mode voltage to determine a most significant bit.
상기 DAC에서 출력된 전압을 소정의 기준 전압과 비교한 비교 결과를 상기 SAR 로직으로 출력하는 비교기, 그리고
상기 비교기의 동작을 위한 클록 신호를 생성하는 클록 타이밍 회로부
를 포함하고,
상기 비교기는,
상기 클록 신호, 상기 클록 신호를 소정 시간 지연한 클록 지연 신호 및 상기 비교기의 동작 완료에 대응하는 준비 신호를 입력받아 상기 비교기의 준안정 상태를 감지하고, 상기 비교기의 준안정 상태를 감지하면 상기 비교기가 미리 정해진 출력을 내보내고 다음 동작을 수행하게 하는 감지 신호를 출력하는 감지 회로부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 SAR ADC.SAR ADCs, including asynchronous SAR logic and DACs,
A comparator for comparing the voltage output from the DAC with a predetermined reference voltage and outputting a comparison result to the SAR logic;
A clock timing circuit for generating a clock signal for operation of the comparator,
Lt; / RTI >
The comparator comprising:
A clock delay signal delayed by a predetermined time of the clock signal, and a ready signal corresponding to the completion of the operation of the comparator, and detects a metastable state of the comparator. When the metastable state of the comparator is sensed, A sensing circuit for outputting a sensing signal for causing a predetermined output to be output and performing the next operation;
And the SAR ADC.
상기 DAC는,
샘플링된 입력 신호의 상위 비트를 결정하는 커패시터열과, 상기 샘플링된 입력 신호의 하위 비트를 결정하는 저항열을 각각 포함하고,
상기 저항열은,
공통모드전압 입력단에 일단이 스위칭 소자에 의해 연결되는 제1 저항,
상기 공통모드전압 입력단, 제1 기준전압 입력단 및 제2 기준전압 입력단에 각각 스위칭 소자에 의해 일단이 연결되는 제2 저항 및 제3 저항,
상기 제2 저항 및 상기 제3 저항을 연결하는 제4 저항
을 포함하고,
상기 제1 저항, 상기 제2 저항 및 상기 제3 저항은 상기 제4 저항보다 2배의 저항값을 가지는 것을 특징으로 하는 SAR ADC.The method of claim 6,
The DAC includes:
A capacitor row for determining upper bits of the sampled input signal and a resistor row for determining lower bits of the sampled input signal,
The resistance column
A first resistor whose one end is connected to the common mode voltage input terminal by a switching element,
A second resistor and a third resistor, one end of which is connected to the common mode voltage input terminal, the first reference voltage input terminal, and the second reference voltage input terminal,
And a fourth resistor connecting the second resistor and the third resistor
/ RTI >
Wherein the first resistor, the second resistor, and the third resistor have a resistance twice that of the fourth resistor.
상기 DAC는
상기 샘플링된 입력 신호를 상기 공통모드전압과 비교하여 최상위 비트를 결정하는 것을 특징으로 하는 SAR ADC.8. The method of claim 7,
The DAC
And compares the sampled input signal with the common mode voltage to determine a most significant bit.
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