아날로그 기본 사항 - 3부: 파이프라인 ADC와 사용 방법

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. 1부에서는 SAR ADC를 살펴보고, 2부에서는 델타 시그마(ΔƩ) 컨버터를 살펴보며, 본 3부에서는 ADC의 기능, 특성 및 사용에 대해 알아봅니다. 4부에서는 델타 시그마 ADC를 사용하여 초저잡음 결과를 생성하는 방법을 보여주며, 5부에서는 SAR ADC의 난해한 입력 구동 문제에 대해 탐구해 봅니다.

ADC가 적용되는 응용 분야에는 초고속 다중 캐리어 셀 방식 인프라 기지국, 통신, 디지털 전치 왜곡 관찰, 백홀 수신기 등이 있으며, 모두 GSPS 영역 내에서 샘플링하는 ADC가 필요합니다. 이 아날로그 기본 사항 시리즈의 1부와 2부에서는 각각 연속 근사화 레지스터(SAR) 및 델타 시그마(ΔƩ) ADC를 살펴보고 해당 응용 분야에서 적용하는 방법을 보여줍니다. 하지만 GSPS 결과 생성에 도전하는 기술은 없습니다.

예를 들어 SAR ADC는 "스냅샷" 알고리즘을 사용하므로 직렬 방식으로 인해 속도가 10MSPS로 제한됩니다. 고분해능 ΔƩ ADC의 오버샘플링 알고리즘의 경우 여러 샘플을 수집하여 평균을 구하는 추가 시간이 필요하여 최대 5MHz의 24비트 출력 데이터 전송률이 생성됩니다. GSPS 속도는 SAR ADC 및 ΔƩ ADC의 주파수 범위를 완전히 벗어납니다. 

이 초고속 ADC 과제에 대한 해결책은 GSPS 속도로 데이터를 출력하면서 여러 샘플을 처리하는 파이프라인 ADC에 있습니다.

이 기사에서는 ΔƩ, SAR, 파이프라인 ADC를 간략히 비교한 다음 고속 컨버터 출력 실현과 관련한 문제점을 살펴보고, 파이프라인 ADC가 고속 응용 분야에서 우수한 대안이 될 수 있는 이유를 설명합니다. 그런 다음 각각 정밀도와 고속 속도를 강조하는 Texas Instruments의 두 파이프라인 ADC를 소개하고 해당 파이프라인 ADC를 시작하는 방법을 보여줍니다.

파이프라인 ADC란?

파이프라인 ADC는 연속하는 여러 단계로 구성됩니다. 차등 구조를 가진 첫 단계에서는 최상위 비트(MSB) 값을 평가한 다음 신호를 조절하여 MSB-1 변환을 위해 다음 단계로 전달합니다. 각 단계에서는 다른 단계와 동시에 작업을 실행합니다(그림 1).

그림 1: 파이프라인 토폴로지에서는 여러 단계에 걸쳐 다중 비트 컨버터의 1비트 변환을 구현한 다음 신호를 조절하여 다음 단계로 전달합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

그림 1의 단계는 기능적으로 비슷하고 1비트 또는 2비트만 확인합니다. 각 단계에는 샘플 앤 홀드, 저분해능 플래시 ADC 및 신호 조절 기능이 있습니다. 첫 번째 단계에서는 샘플을 수신한 후 즉시 MSB 결정을 생성합니다. MSB 디지털 값은 첫 번째 래치(래치 1)로 이동합니다. MSB 결정이 1인 경우 이 단계에서는 샘플에서 전하의 MSB 값을 뺍니다. 그러면 파이프라인 컨버터에서 나머지 전하에 2배 이득 배수를 적용합니다. 단계에서 작업이 완료되면 아날로그 차이를 후속 단계로 전달합니다. 2배 이득 배수로 설계하면 1단계부터 n단계까지 기본적으로 동일한 회로망에 있다는 이점이 있습니다.

단계 수는 대체로 ADC 비트 수와 일치합니다. 최종 변환 출력에서는 각 단계의 디지털 결과를 출력 래치에 결합합니다. 이 변환 공정에서 몇 클록 주기의 데이터 대기 시간이 발생합니다.

ΔΣ, SAR, 파이프라인 ADC 샘플링 비교

ΔΣ 컨버터는 오버샘플링 알고리즘을 사용하여 유한 임펄스 응답(FIR) 또는 무한 임펄스 응답(IIR) 디지털 필터를 구현합니다. 이 필터는 여러 샘플을 수집하여 매우 높은 분해능을 양수 트레이드 오프로 렌더링하는 동안 신호 출력 대기 시간 또는 지연을 발생합니다. 따라서 각 변환에 대해 신호를 한 번만 샘플링하는 SAR 또는 파이프라인 컨버터보다 수집 시간이 더 깁니다(그림 2).

그림 2: 저주파 신호를 처리하는 가장 느리고 분해능이 가장 높은 ΔƩ ADC 중간 속도 중간 분해능 SAR ADC는 범용 응용 분야에 유용합니다. 고속 저분해능 파이프라인 ADC는 첨단 고속 솔루션에 적합합니다. (이미지 출처: DigiKey)

SAR ADC는 정의된 수집 시점에 입력 신호의 스냅샷을 렌더링합니다. SAR은 전하 재분배 기술을 사용하면서 0 대기 시간 변환을 빠르게 완료합니다. 파이프라인 컨버터는 언더샘플링 기술을 사용하여 전하 재분배 기술을 적용하고 결과를 지연 출력하는 방식으로 고속 변환을 실현합니다. 이 변환 알고리즘에서는 데이터 대기 시간이 발생합니다.

SAR, 파이프라인 및 ΔƩ 컨버터의 대기 시간과 변환 속도는 서로 다릅니다(그림 3).

그림 3: ΔƩ 오버샘플링 및 평균 알고리즘에서는 최종 출력 데이터 워드를 지연하여 표시합니다. SAR ADC의 출력은 다음 샘플 수집 이전에 표시되므로 SAR ADC의 대기 시간은 0입니다. 파이프라인 컨버터의 경우 데이터 결과 지연으로 인해 대기 시간이 0이 아닙니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림 3에서 ΔƩ 컨버터는 각 변환 결과에 대해 여러 샘플의 평균을 구합니다. ΔƩ의 평균 필터는 일반적으로 FIR 또는 IIR 디지털 필터입니다. 이 다중 샘플링 평균으로 인해 전체 변환 시간이 증가합니다. 하지만 높은 분해능이 가능하고, 정확도에 따라 처리 시간이 달라집니다.

SAR 컨버터의 변환 시간은 입력 신호 수집 시간과 변환 시간을 포함합니다. 수집 시간 동안 실제로 신호가 수집되기 이전에 입력 신호가 정착할 수 있습니다. 처리 시간은 MSB 값으로 시작하여 내부 전하 재분배 및 연속 직렬 데이터 출력 신호의 조합합니다.

파이프라인 ADC를 사용하면 외부 입력 클록의 상승(또는 하강) 에지와 함께 샘플 수집을 시작합니다. 이 샘플에 대해 수집된 전하가 두 번째 단계로 이동하는 동안 컨버터는 다른 입력 신호에 해당하는 전하를 캡처하고, 두 번째 단계에서는 MSB 값을 확인합니다. 다음 외부 클록에서 두 번째 수집된 신호가 두 번째 단계로 이동하고, 첫 번째 신호가 세 번째 단계로 이동합니다. 이 클록 주기 동안 첫 번째 수집된 신호의 MSB-1 값과 두 번째 수집된 신호의 MSB 값을 확인합니다. 이 공정은 수집된 신호마다 계속됩니다. 입력 신호에 전체 디지털 출력 표현이 있는 경우 컨버터의 출력 단계에서 입력 신호의 병렬 표현이 표시됩니다.

이 아키텍처의 결과에 따라 파이프라인 ADC는 MSPS ~ 1GSPS 이상의 샘플링 속도에 널리 사용됩니다. 분해능의 범위는 8비트(빠른 샘플링 속도)에서 최대 16비트(느린 속도)까지입니다. 이러한 분해능과 샘플링 속도는 전하 결합 소자(CCD) 이미징, 초음파 의료 이미징, 디지털 수신기, 기지국, 디지털 전치 왜곡, 디지털 동영상 등 폭넓은 응용 분야를 포함합니다. 일부 응용 분야에서는 정밀도와 속도를 강조합니다.

정밀 파이프라인 ADC

정밀 파이프라인 ADC의 좋은 예로는 백 엔드 7.4Gbit/s JESD204B 인터페이스가 뒤에 오는 16비트 370MSPS 이중 채널 파이프라인 ADC인 Texas Instruments ADC16DX370이 있습니다. 150MHz 입력 신호에서 ADC16DX370의 신호 대 잡음비(SNR), 스퓨리어스가 없는 작동 범위(SFDR) 및 잡음 스펙트럼 강도(NSD)가 각각 69.6dBFS, 88dBFS 및 -152.3dBFS/Hertz입니다.

각 ADC에는 입력 버퍼와 불균형 보정 회로 및 내부 구동형에 필요한 레퍼런스 전압이 있습니다. 통합된 입력 버퍼는 내부 스위칭 샘플링 커패시터 전하와 전하 킥백 잡음을 제거합니다. 이 버퍼는 구동 증폭기, 안티앨리어싱 필터 및 임피던스 정합 요구 사항을 완화합니다(그림 4).

그림 4: 고성능 370 MSPS ADC16DX370은 내부 레퍼런스가 있는 이중 파이프라인 ADC이며, 아날로그 신호를 16비트 디지털 워드로 변환합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

ADC16DX370은 저잡음 수신기와 클록 분할기를 사용하여 CLKIN 입력에서 샘플링 클록을 도출합니다. 입력 클록 분할기는 시스템 전체에서 고주파 클록 신호를 분배하고, ADC 소자에서 로컬로 분할하여 일반 중간 주파수(IF)의 신호가 시스템의 다른 부분에 결합되는 것을 방지합니다. ADC의 코어 대기 시간은 12.5 클록 주기입니다(그림 5).

그림 5: 타이밍 구성도는 ADC 코어 대기 시간이 12.5 클록 주기임을 보여줍니다. (이미지 출처: DigiKey)

샘플링은 (CLKIN+) - (CLKIN–) 차동 신호의 상승 에지에서 발생합니다. 최소 코어 값으로 12.5 클록 주기의 데이터 대기 시간 이후에 디지털 출력 코드를 사용할 수 있습니다. CLKIN 입력 주파수 분할기 계수는 1, 2, 4 또는 8입니다.

ADC16DX370에는 차동 클록 입력 핀이 있습니다. 각 핀의 DC에 대한 내부 종단은 100Ω 총 내부 차동 종단용 50Ω 저항기입니다. 클록 입력 핀은 외부 AC 결합이 필요합니다.

전체 성능을 실현하려면 이중 파이프라인 ADC pc 기판 설계가 필요합니다. 장치에서 모든 신호를 적절히 라우팅하려면 최소 6개의 계층이 필요합니다. 신호 귀로를 제어하여 루프 영역을 최소화하려면 견고한 접지면이 신호 라우팅 계층에 인접해 있고, 마이크로스트립과 스트립 선로를 신중하게 라우팅하여 임피던스를 제어해야 합니다. 전력면과 인접한 견고한 접지면을 사용하여 공급 귀로를 제어합니다. 또한 공급면과 접지면 사이의 간격을 최소화하여 분산된 감결합을 강화하고 성능을 개선합니다.

ADC16DX370의 대상 응용 분야는 높은 IF 샘플링 수신기, 다중 캐리어 기지국 수신기, 고분해능 370 MSPS 변환 속도를 보완하는 멀티 모드 다중 대역 수신기가 있습니다. 예를 들어 이 16비트 파이프라인 ADC는 RF 헤테로다운 수신기 서브 시스템에서 배경 잡음 속에서 작은 신호를 구분하는 데 필요한 SNR(69.6dBFS) 성능을 제공합니다.

설계자가 ADC16DX370을 평가하도록 돕기 위해 High-Speed Data Converter(HSDC) Pro 소프트웨어를 연결한 ADC16DX370EVM 평가 기판에서 ADC를 지원합니다. EVM은 PC에 연결하기 위한 mini-USB 케이블을 제공합니다. 또한 TI는 100MHz 이상의 가용 대역폭에서 수신기 IF 서브 시스템 솔루션을 평가하는 데 사용할 수 있는 TSW16DX370EVM 참조 설계 기판을 제공합니다.

고속 파이프라인 ADC

빠른 속도와 넓은 작동 범위가 우선 순위인 설계자는 이중 채널 12비트 1GSPS ADC인 Texas Instruments ADS54J20으로 전환할 수 있습니다. 이 ADC 설계는 –157dBFS/Hz의 잡음 플로어에서 67.8dBFS의 높은 SNR을 제공합니다. 이 ADC는 넓은 순간 대역에서 최고의 작동 범위를 목표로 하는 응용 분야에 적합합니다(그림 6).

그림 6: ADS54J20 이중 파이프라인 ADC는 -157dBFS/Hz의 잡음 플로어를 실현하기 위한 인터리빙 보정 옵션과 데시메이션 디지털 필터링 옵션을 제공합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

그림 6에서 ADS54J20의 인터리빙 및 디더링 알고리즘은 높은 SFDR에서 선명한 스펙트럼을 생성하는 데 사용됩니다. 또한 이 장치에는 광범위한 주파수에서 높은 SNR 및 SFDR이 필요한 시스템을 위한 다양한 프로그래밍 가능 데시메이션 필터링 옵션이 있습니다.

대역 통과 데시메이션 필터에는 약 134 출력 클록 주기의 대기 시간과 4ns의 논리 게이트 및 출력 버퍼 전파 지연을 생성하는 디지털 혼합기 하나와 연결된 FIR 필터 세 개가 있습니다(그림 7).

그림 7: ADC 대기 시간의 타이밍 구성도는 134 클록 주기와 논리 게이트 및 출력 버퍼 전파 지연(t_PD)을 합한 것입니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

디지털 블록, 인터리빙 엔진, 데시메이션 필터(그림 6)가 고속 샘플링 1GHz 클록 주파수와 결합되어 컨버터의 대기 시간을 생성합니다.

ADS54J20의 대상 응용 분야에는 레이더 및 안테나 어레이, 광대역 무선, 케이블 모뎀 종단 시스템(CMTS), DOCSIS 3.1 수신기가 있습니다.

ADS54J20은 평가 기판(이 경우 ADS54J20EVM)에서도 지원됩니다(그림 8).

그림 8: ADS54J20 고속 ADC는 mini USB 케이블 및 전원 공급 장치 케이블이 제공되는 ADS54J20EVM 평가 기판에서 지원됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments).

또한 ADS54J20EVM은 HSDC Pro 소프트웨어와 함께 사용되며 PC와 연결할 수 있는 mini USB 케이블과 전원 공급 장치 케이블을 제공합니다.

결론

SAR 및 ΔƩ ADC도 나름의 역할이 있지만 초고속 ADC 과제에 대한 해결책은 수백 KSPS ~ GSPS 속도로 데이터를 출력하면서 여러 샘플을 처리하는 파이프라인 ADC입니다. 하지만 모든 파이프라인 ADC가 속도만 강조하는 것은 아닙니다. 위에서 살펴본 바와 같이 높은 정밀도를 달성할 수도 있습니다.

강조한 바에 상관없이 파이프라인 ADC는 고속 셀 방식 기지국, 초고속 다중 캐리어 셀 방식 인프라 기지국, 통신, 디지털 전치 왜곡, 백홀 수신기 등 고속 변환이 필요한 많은 응용 분야에 적합한 옵션입니다.