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수동형 적분기(Passive Integrator)를 이용한 저전력 이산시간 Incremental Delta Sigma ADC
Low Power Discrete-Time Incremental Delta Sigma ADC with Passive Integrator 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.54 no.1 = no.470, 2017년, pp.26 - 32  

오군석 (건국대학교 전자공학부) ,  김진태 (건국대학교 전자공학부)

초록
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본 논문에서는 설계 요구가 높고, 전력 소모가 높은 opamp를 이용하는 기존의 능동형 적분기를, 수동형 적분기로 대체하여 고속의 저전력, 고해상도 특성을 갖는 incremental delta-sigma ADC를 소개한다. 능동형 적분기에서 수동형 적분기로의 변환을 위해, 기존의 능동형 적분기의 특성을 분석하였다. 이를 바탕으로 opamp의 설계 요구를 낮추고, 더 나아가 opamp를 사용하지 않는 저전력의 수동형 적분기를 제안하였다. 65nm 공정을 이용하여 수동형 적분기로 구성된 1차 single-bit incremental delta-sigma ADC를 설계하였다. Transistor-level 시뮬레이션 결과, 이는 supply 전압이 1.2V인 상황에서 modulator만 0.6uW, digital filter를 포함한 ADC 전체에서 6.25uW를 소모하며 BW 22KHz, SNDR 71dB, dynamic range 74.6dB을 달성하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents a low power and high resolution incremental delta-sigma ADC that utilizes a passive integrator instead of an opamp-based active integrator. Opamp is a power-hungry block that involves tight design tradeoffs. To avoid the use of active integrator, the s-domain characteristic of an...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 CppSim과 Spice 시뮬레이션을 통해 실질적인 동작과 성능을 검증하였다. 전력 소모는 수동형 적분기와 CLK 발생기, CoI digital filter를 모두 구현하여, transistor-level 시뮬레이션을 통해 구하였고, 성능 측정은 thermal noise를 모두 포함하기 위하여 CppSim을 이용하여 시뮬레이션하였다.
  • 이 역시 적절한 보상을 통해 해결해주어야 하지만, 수동형 적분기는 다른 소자를 구동시키는 능력이 없기 때문에 보상 방법이 제한적이다. 본 논문에서는 cascade of integrators feedback (CIFB) 구조의 single-bit DSM을 통해 이러한 문제를 해결하였다. CIFB 구조에 의해 수동형 적분기의 출력은 단독으로 곧장 single-bit 양자화 변환기의 입력으로 들어가기 때문에 다른 소자를 구동할 필요가 없어진다.
  • 본 논문에서는 opamp의 제한으로부터 자유로운 적분기를 제안함으로써 고속의 저전력 IADC 설계를 목표로 한다. 이를 위해 opamp를 이용한 능동형 적분기의 특성 분석을 진행한다.
  • 본 논문에서는 고속의 저전력, 고해상도 ADC 설계를 위해 능동형 적분기의 특성을 분석하였고, 기존의 능동형 적분기와 유사한 전달함수를 갖는 RC LPF형태의 수동형 적분기 설계를 제안하였다. 수동형 적분기를 통해 전력 소모가 많은 opamp의 제거와 이에 따른 supply 전압의 감소를 통해 효과적으로 전력 소모를 줄일 수 있었다.
  • 본 논문에서는 수동형 적분기의 장점을 극대화하기 위해 회로를 최대한 단순화시켜 설계하였다. 그림 6(a)에 제안하는 전체 회로를 도시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Delta-sigma A/D 변환기는 주로 어디에 사용되는가? Delta-sigma A/D 변환기는 oversampling과 noiseshaping을 통해 고해상도의 데이터 변환을 저해상도 양자화 변환기(quantizer)와 적분기(integrator) 만을 사용하여 구현할 수 있어, 오디오[1], 통신 커뮤니케이션, 센서 등 다양한 분야에 사용되고 있다. Incremental delta-sigma analog-to-digital converter (IADC)는 delta-sigma 변환기의 conversion을 수행하기 전에 적분기와 digital filter를 초기화(RST) 시킨 후 deltasigma 동작을 수행함으로써 초기 조건을 일정하게 유지한다.
IADC은 어떤 기능을 하는가? Delta-sigma A/D 변환기는 oversampling과 noiseshaping을 통해 고해상도의 데이터 변환을 저해상도 양자화 변환기(quantizer)와 적분기(integrator) 만을 사용하여 구현할 수 있어, 오디오[1], 통신 커뮤니케이션, 센서 등 다양한 분야에 사용되고 있다. Incremental delta-sigma analog-to-digital converter (IADC)는 delta-sigma 변환기의 conversion을 수행하기 전에 적분기와 digital filter를 초기화(RST) 시킨 후 deltasigma 동작을 수행함으로써 초기 조건을 일정하게 유지한다. 이로 인해 delta-sigma ADC의 장점과 더불어 sample-by-sample의 absolute-accuracy를 달성할 수 있어 센서 분야의 데이터 변환기에 가장 대표적으로 사용되는 ADC의 구조이다.
DSM 내의 적분기에 요구되는 설계 조건은 무엇인가? 하지만 고해상도 IADC를 저전력으로 설계하는 것에는 어려움이 따르게 되는데, 그 근본 원인은 deltasigma modulator(DSM) 내의 적분기 설계의 어려움에서 기인한다[2]. 통상적으로 적분기는 capacitive feedback을 opamp에 적용한 능동형 적분기(active integrator)를 사용하게 되는데, 이론적인 delta-sigma 동작에 위해가 되지 않기 위해서는 충분히 높은 open loop gain(A0), gain bandwidth product(GBW) 그리고 slew rate가 요구된다. 또한 보다 향상된 성능을 위해서는 큰 output swing과 낮은 thermal noise를 가지도록 opamp가 설계되어야 하고, 저주파의 flicker noise를 제거할 수 있는 chopping이나 correlated double sampling과 같은 offset-cancellation 설계 기법 적용이 필수적이다. 따라서 이런 다양한 설계 조건을 충족시키기 위하여 적분기의 전력 소모가 증가하게 되는 것은 피하기 어려운 일이라 할 수 있고, 고속의 저전력 IADC를 설계하는 것은 아직도 도전적인 설계 목표로 남아있다.
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참고문헌 (5)

  1. A. Hussain, S. W. Sin, C. H. Chan, S. P. U, F. Maloberti and R. P. Martins, "active-passive ${\Delta}{\Sigma}$ modulator for high-resolution and low-power applications", IEEE Trans. VLSI Syst. vol. PP, Issue 99, pp. 1-11, 2016. 

  2. A. Yeknami, F. Qazi and A. Alvandpour, "low-power DT ${\Delta}{\Sigma}$ modulators using SC passive filters in 65 nm CMOS", IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers, vol. 61, no. 2, pp. 358-370, 2014. 

  3. J. Markus, J. Silva and G. C. Temes, "Theory and applications of incremental delta-sigma converters", IEEE Trans. Circuits Syst. I, Reg. Papers, vol. 51, no. 4, pp. 678-690, 2004. 

  4. J. A. Fredenburg and M. P. Flynn, "A 90-MS/s 11-MHz-bandwidth 62-dB SNDR noise-shaping SAR ADC", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 47, pp. 2898-2904, 2012. 

  5. Michael H. Perrott - CppSim Reference Manual Version 4. 

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