아날로그 기본 사항 – 1부: SAR 아날로그 디지털 컨버터

편집자 주: 아날로그 디지털 컨버터(ADC)는 아날로그 환경을 디지털 환경에 연결하므로 실제 환경에 연결되는 모든 전자 시스템의 기본 부품입니다. 또한 시스템의 성능을 결정하는 주요 요소입니다. 이 시리즈에서는 ADC의 기본 사항, 다양한 유형 및 응용 분야를 살펴봅니다. 아날로그 기본 사항에 관한 이 시리즈의 1부에서는 연속 근사화 레지스터(SAR) ADC를 설명하고, 2부에서는 델타 시그마(ΔƩ) 컨버터에 대해 논의합니다.

아직 세상은 아날로그 환경이기 때문에 감지된 정보를 디지털 도메인으로 가져오려면 몇 가지 변환을 거쳐야 합니다. 이 까다로운 작업은 주로 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에서 수행합니다. 최근 몇 년 동안 연속 근사화 레지스터(SAR), 시그마-델타(S-D), 파이프라인 ADC라는 세 가지 ADC 토폴로지가 두각을 나타내고 있습니다. 세 ADC 토폴로지는 서로 다른 주파수 범위에서 작동하여 저주파 센서 응용 분야부터 고주파 LiDAR 또는 위성 통신까지 전 분야에 서비스를 제공하기 위해 큰 차이점을 갖고 있습니다.

SAR ADC가 맨 먼저 메인스트림 컨버터로 등장했습니다. 시간이 지나면서 이 컨버터 토폴로지는 공정 제어, 의료, 초기 디지털 오디오 시스템 등 다양한 응용 분야로 확산되었습니다. 이러한 응용 분야에서는 SAR ADC의 8비트 ~ 20비트 출력 변환 범위를 활용합니다. 하지만 SAR ADC가 주목받는 이유는 아날로그 입력 신호의 스냅샷을 캡처하고 여러 신호 스냅샷을 사용하여 시간의 경과에 따른 그림을 묘사한다는 점입니다.

이 기사에서는 SAR ADC를 둘러싼 신호 체인을 간략하게 설명합니다. 그런 다음 이 ADC 토폴로지를 자세히 살펴보고 ADC의 스냅샷 작동에 필요한 기본 입력 스테이지를 분석합니다. 그런 다음 ADC4020BCPZ-RL7의 내부 아날로그 디지털 변환 역학을 중심으로 예제 SAR ADC 솔루션(Analog Devices의 AD7625BCPZ 및 AD4020BCPZ-RL7)을 소개합니다. 또한 적합한 데이터 취득 시스템의 주요 사양을 제공합니다.

SAR ADC의 아날로그 신호 체인

SAR ADC는 자동 테스트 장비, 기계 자동화, 의료 장비, 정밀 데이터 취득 등과 같은 시스템에서 볼 수 있습니다. (이 기사를 작성하는 시점에서) 모든 SAR ADC 응용 분야에는 적정 8비트 ~ 20비트의 분해능과 DC ~ 15MSPS의 샘플링 속도로 디지털 전환이 필요한 아날로그 신호가 있습니다.

SAR ADC는 AFE(아날로그 프런트 엔드) 신호 체인 없이 작동할 수 있습니다. 하지만 설계자가 SAR ADC의 프런트 엔드에서 신호를 제공해야 하는 경우 어느 정도 신호 조절이 필요할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 이 샘플 SAR ADC 신호 체인에는 x선 감지기, AFE, 증폭기 구동기, Analog Device의 AD7625BCPZ 6 MSPS 컨버터, 변환 결과를 위한 디지털 리셉터클(FPGA)이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림에서 x선 소스는 수화물을 통과하여 x선 감지기로 신호를 보냅니다. x선 장치는 수화물의 전체 이미지를 신속하게 구현하여 여행자의 불만을 줄여줍니다.

프런트 엔드에서는 감지기 신호를 수신하고 아날로그 이득, 레벨 조정과 같은 신호 조절 기능을 수행합니다. 그런 다음 SAR ADC(이 경우 Analog Devices의 AD7625BCPZ)에 신호를 제공합니다.

SAR ADC 앞의 증폭기에서는 일반적으로 증폭기와 SAR ADC 사이에 1차 저역 통과 필터를 배치하여 적절한 안정성을 제공합니다. SAR ADC는 최대 6MSPS 속도로 샘플링(167ns마다 샘플 1개)하여 단시간에 여러 스냅샷을 수용할 수 있습니다.

SAR ADC 입력 스테이지의 코어 단순화

SAR ADC는 시간이 지나면서 다양하게 개선되었지만, 어떤 경우든 변환 기간 중 가장 중요한 활동은 전하 재분배입니다. 이는 연속 근사화 ADC의 가장 일반적인 구현 중 하나입니다. 또한 SAR ADC는 S-D 및 파이프라인 컨버터와 달리 대기 시간 0이라는 또 하나의 장점이 있습니다.

가장 간단한 레벨에서 신호 스냅샷 발생 위치를 쉽게 확인할 수 있습니다. SAR ADC 입력 코어에는 입력 신호 취득 스위치(S₁), 정전 용량 어레이, 변환 스위치(S_C), 내부 레퍼런스 전압(½V_REF)가 포함되어 있습니다(그림 2).

그림 2: 출력 안정화 필터를 적용하고 SAR ADC를 구동 중인 연산 증폭기(op amp) (이미지 출처: DigiKey)

SAR ADC 코어는 다음과 같이 작동됩니다.

1. S₁ 열림, S_C 닫힘: 입력 스테이지가 아날로그 신호 발생기에서 분리됩니다.
2. C의 전하가 ½V_REF만큼 다시 보정됩니다. 이 재보정에서는 SAR ADC를 출발 지점으로 되돌립니다.
3. S₁ 닫힘, S_C 열림: 이제 장치가 입력 아날로그 신호에 연결됩니다.
4. SAR ADC가 사전 결정된 취득 시간 동안 입력 신호 V_S를 취득합니다. 이 취득 시간에는 커패시터 부하 및 스위칭 잡음에 대한 증폭기의 갑작스러운 노출과 S₁ 및 S_C 스위칭 잡음이 허용됩니다.
5. S₁ 열림: 여기서 신호 스냅샷이 발생합니다.
6. SAR ADC는 V_C의 신호를 디지털 표현으로 변환합니다. 이 작업을 수행하는 데 걸리는 시간을 “변환 시간”이라고 합니다.

SAR ADC 입력 스테이지의 코어 세부 정보

변환 코어는 V_C에서 캡처된 신호에 대한 부하 재분배에 관여합니다. 컨버터의 부하 재분배는 클록 게이트 코어에서 조율됩니다. 이 공정에서 각 클록 디지털 출력 코드가 SAR ADC의 DOUT 출력에 도달합니다(그림 3).

그림 3: 4비트 SAR ADC 커튼의 전체 디지털 가중 커패시터 어레이는 16C, 8C, 4C, 2C 및 두 개의 C입니다. (이미지 출처: DigiKey)

변환 중 첫 번째 단계로 SAR ADC 알고리즘에서는 최상위 비트(MSB)를 결정합니다. SAR ADC는 V- 및 V_REF 비교기 입력 사이의 16C 커패시터 하단을 전환하여 ½V_REF와 비교한 신호 크기 테스트를 시작합니다. 그런 다음 SAR ADC 변환 라인에서 8C(표시되지 않음)를 ½V_REF와 비교하여 테스트한 다음 4C 등을 순서대로 테스트합니다.

SAR ADC 출력 변환 세부 정보

MSB 1 결정 중에 MSB 결정이 DOUT 핀을 통해 즉시 전송되고 MSB 스위치는 고정된 상태로 유지됩니다. SAR ADC에서는 최하위 비트(LSB)를 최종 선택할 때까지 이 알고리즘을 수행합니다(그림 4).

그림 4: 4비트 SAR ADC는 비트 결정을 통해 변환 알고리즘을 클로킹하고 그림 3에 표시된 DOUT 핀을 통해 해당 결정을 전송합니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림 4에서 SAR ADC 클록 비트 결정은 MSB에서 수행되어 LSB로 전송되었습니다. 모든 변환 데이터는 그림 3의 오른쪽 상단에 있는 DOUT를 통해 계속해서 즉시 클록 아웃됩니다. 일반적으로 전체 처리 시간에서 신호를 취득하는 데 많은 시간이 걸리고 각 비트당 클록 주기가 1회 소요됩니다.

SAR ADC 변환 과제

설계자는 변환에서 올바른 아날로그 값이 캡처되는지 확인하는 데 필요한 신호 정착 시간을 알고 있어야 합니다(그림 5).

그림 5: 12비트 SAR DAC 변환 타이밍 구성도 각각의 전체 변환에 16클록이 필요합니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림 5에서 입력 신호 V_C는 컨버터의 입력 스위치가 열리기 전에 원하는 최종 전압에 도달하지 못했습니다. 이 경우 회로 설계자가 증폭기 입력 신호의 정착 시간을 잘못 계산했습니다.

AD4020BCPZ-RL7 20비트, 1.8MSPS SAR ADC는 처리량 속도를 유지하면서 확장된 취득 단계를 제공하여 신호 취득 복잡성을 완화했습니다. 또한 신호 대 잡음비(SNR)가 100.5dB로 낮습니다.

SAR ADC 전달 함수

ADC에 대해 가능한 코드 수는 2^N입니다. 여기서 N은 비트 수입니다. 예를 들어 4비트 컨버터에서는 2⁴개 또는 16개의 개별 코드를 사용할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 이상적인 4비트 SAR ADC의 아날로그 입력 전압과 디지털 출력 코드 비교 그래프 또는 전달 함수는 직선이어야 합니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림 그리기

SAR ADC의 처리량 속도에는 Analog Devices AD4020BCPZ-RL7의 20비트 분해능에서 최대 1.8MSPS의 처리량 속도를 달성하기 위한 취득 시간과 변환 시간이 포함됩니다. AD4020BCPZ-RL7의 처리량 속도를 사용하여 여러 스냅샷을 취득하고 기계 자동화 및 의료 장비를 위한 디지털 그림 렌더링 솔루션을 구축할 수 있습니다.

결론

공정 제어, 의료, 소비자 등과 같은 응용 분야에서 사용되는 SAR ADC는 신호 스냅샷 기능과 분해능 및 속도의 지속적인 향상을 통해 계속해서 가치를 입증하고 있습니다. 이 기사를 작성하는 시점에서 SAR ADC는 8비트 ~ 20비트의 분해능과 최대 15MSPS의 처리량 속도를 지원합니다. 예를 들어 Analog Devices의 AD4020BCPZ-RL은 낮은 잡음, 높은 속도, 20비트 1.8MSPS 정밀도를 제공합니다. 하지만 SAR ADC 컨버터 아키텍처는 여기서 끝이 아니라 앞으로도 더욱 발전될 것입니다.