A/D 컨버터의 개요 - ②기본동작의 종류

A/D 컨버터의 개요 - ②기본동작의 종류

1. 기본형 1 (플래시 타입)

1) 동작

사전에2N-1개로 분압된 기준전압과 아날로그 신호를 비교기 (콤퍼레이터)로 동시에 비교하여, 비교 결과를 엔코더를 통해 디지털 신호로 변환합니다.

 

2) 특징

아날로그 신호를 한번에 디지털 신호로 변환하므로, 아날로그 신호를 표본화하는 회로 (S& H 회로)가 필요없습니다.

A/D 컨버터 기본형중에 가장 빠른 속도로 변환이 가능합니다. (샘플링 주파수가 1GHz 이상에서도 가능합니다.)

Nbit 분해능에서는 2N-1개의 비교기 (콤퍼레이터)가 필요하여, 회로 규모 및 소비전력이 커지므로 분해능은 8bit 정도가 한계입니다.

< 플래시타입 A/D 컨버터의 기본 구성 >

 

2. 기본형 2 (파이프라인 타입)

1) 동작

일반적인 1.5bit / stage 구성의 경우, MSB를 결정하는 stage1부터 순서대로 파이프라인 동작을 통해 하기의 처리를 반복합니다. (VREF : 기준전압)

아날로그 입력을 표본화 (S&H)합니다.

동시에 A/D 컨버터 (ADC)를 통해 아날로그 입력을 3개 (1.5bit)의 디지털 값으로 변환합니다. (이 때, stage의 디지털 출력이 확정됩니다.)

아날로그 입력 ≦ -VREF/4→ D="00"

-VREF/4 ＜ 아날로그 입력 ≦ +VREF/4→ D="01"

+VREF/4 ＜ 아날로그 입력→D="10"

3개 (1.5bit)의 디지털 값을 D/A 컨버터 (DAC)를 통해 아날로그 값으로 변환합니다.

D="00" → DAC 출력 ： -VREF/2

D="01" → DAC 출력 ： 0

D="10" → DAC 출력 ： +VREF/2

표본화된 전압에서 DAC 출력전압을 뺀 값을 2배로 증폭시켜 다음 stage로 출력합니다.

LSB를 결정하는 stageN의 처리가 완료되면, 각 stage간 지연을 보정하고 각각의 디지털 출력을 가산함으로써 디지털 출력으로의 변환이 완료됩니다.

< 파이프라인 타입 A/D 컨버터의 기본구성 >

 

2) 특징

높은 분해능을 실현할 수 있습니다.(16bit 정도까지)

고속 변환이 가능합니다.（샘플링 주파수 200MHz 정도까지）

파이프라인 동작을 통해 디지털 신호가 출력될 때까지의 대기 시간이 필요하므로, 제어 등 실시간 출력이 필요한 어플리케이션에는 적합하지 않습니다.

 

3. 기본형 3 (축차 비교 타입)

1) 동작

표본화된 아날로그 신호와 D/A 컨버터 (DAC)의 출력이 일치되도록 MSB부터 순서대로 축차 비교 (Successive Approximation)를 실행합니다.

아날로그 입력 신호를 표본화 (S&H)합니다.

축차 비교 레지스터 (SAR)의 MSB에 "1"을 대입합니다.(다른 항목은"0" )

축차 비교 레지스터 (SAR)의 디지털 값을 D/A 컨버터 (DAC)를 통해 아날로그 값으로 변환합니다.

표본화된 전압과 DAC 출력전압의 대소를 비교합니다.

표본화 전압 ＞ DAC 출력전압 → MSB＝"1" 로 확정합니다.

표본화 전압 ＜ DAC 출력전압 → MSB＝"0" 으로 확정합니다.

하기 LSB까지 동등한 축차 비교를 반복함으로써 디지털 신호로의 변환이 완료됩니다.

< 축차 비교형 변환기의 기본구성 >

< 대소 반복 비교 >

2) 특징

높은 분해능을 실현할 수 있습니다. （18bit 정도까지）

변환을 위해 (분해능＋α)의 클록 사이클이 필요하므로, 변환 속도는 중간정도입니다. (샘플링 주파수 10MHz 정도까지)

응답성이 우수하고, 입력에 멀티플렉서를 연결하여 아날로그 신호 전환에 용이합니다.

 

4. 기본형 4 (ΔΣ 타입)

1) 동작

오버 샘플링

본래의 샘플링 주파수보다 높은 주파수로 표본화함으로써, 양자화 오차를 작게합니다.

ΔΣ 변조

오버 샘플링을 통해 표본화한 전압과 D/A 컨버터 (DAC) 출력전압과의 차 (Δ)를 적분기로 적분 (Σ)합니다. 적분된 값을 비교기 (콤퍼레이터)를 통해 기준전압과의 대소를 비교함으로써 펄스 예로 변환합니다.

출력 펄스를 1샘플링 지연시켜 입력에 피드백시킴으로써, 비교기 (콤퍼레이터)에서 발생하는 양자화 오차가 저주파수 영역에서 작으며, 고주파수 영역에서 커지도록 변조가 실행됩니다.

ΔΣ 변조기에서 출력되는 펄스 예는 본래의 신호 성분과 더불어 고주파 영역에서 큰 양자화 오차 성분을 지니고 있습니다. 그러나, 이러한 성분은 주파수적으로 떨어져 있어, 간단한 디지털 필터로 양자화 오차 성분만 제거할 수 있으므로, 다른 방식에서는 불가능한 높은 분해능을 실현할 수 있습니다.

 

2) 특징

A/D 컨버터 기본형 중에서 가장 분해능이 높습니다. (24bit 정도까지)

변환 속도가 느립니다. (샘플링 주파수로 200kHz 정도까지)

응답성이 좋지 않으므로, 입력에 멀티플렉서를 연결하여 아날로그 신호를 전환하는 용도에는 적합하지 않습니다.

 

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A/D 컨버터의 개요 - ①A/D컨버터란?