정밀 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 시장은 현재 델타-시그마 ADC가 높은 동적 범위, 정밀한 DC 성능, 합리적인 가격으로 높은 점유를 차지하고 있다. 

델타-시그마 ADC는 설계에서 델타-시그마 변조기를 이용해 입력 신호를 오버샘플링 하고 디지털 데시메이션 필터를 적용하므로 낮은 잡음을 생성하지만 출력 데이터 속도가 늦다. 오버 샘플링은 추가 이점으로 외부 아날로그 안티 앨리어싱 필터를 크게 간소화함으로써 디지털 필터로 통과 대역의 주파수 응답을 결정할 수 있다.

리니어 테크놀로지의 첨단 SAR ADC 기술은 DC 규격(INL, DNL, 오프셋, 이득 오차, 안정도)에서 최고 성능의 델타-시그마 ADC와 맞먹는 성능을 제공하고 높은 샘플 레이트와 지연 없는 동작을 유지함으로써 정밀 애플리케이션에 보다 높은 성능을 제공한다. 

고속 샘플링 SAR ADC는 종종 낮은 대역폭 신호를 오버 샘플링 하는 데 사용된다. 전통적인 오버 샘플링은 데시메이션 필터(저역 통과 필터 + 다운샘플링)를 적용해 시스템의 동적 범위를 증가시킨다. 오버샘플링의 또 다른 이점은 아날로그 안티 앨리어싱 필터에 대한 요구사항을 완화시켜준다는 점이다. 

오버샘플링을 적용하지 않을 경우 가파른 롤오프(뚜렷한 천이 대역)를 갖기 위해 아날로그 안티 앨리어싱 필터가 필요하므로 복잡성이 증가한다. 다른 방법으로, 오버샘플링은 간단한 낮은 차수의 아날로그 필터와 디지털 필터를 함께 사용하여 매우 가파른 롤오프를 갖는 혼합 모드 등가 안티 앨리어싱 필터를 생성할 수 있다. 그러나 이 방법은 이러한 필터링 작업을 호스트 프로세서가 부담하게 되므로 ADC 출력에서 훨씬 빠른 속도로 데이터를 얻기 위해 더 빠른 프로세서를 필요로 한다는 단점이 있다. 

이러한 이유로 리니어 테크놀로지는 정밀 시장에 다른 전략으로 접근해 높은 정확도와 속도를 제공하는 자사의 고유 SAR ADC 아키텍처와 디지털 필터를 통합한 제품을 개발했다. 가장 최근 출시된 제품은 LTC2508-32 및 LTC2512-24이다. LTC2508-32는 핀 구성 가능 디지털 필터를 내장한 32비트 1Msps SAR ADC로 저대역폭, 정밀 애플리케이션에 최적화됐다. LTC2512-24는 필터가 내장된 24비트, 1.6Msps SAR ADC로 고대역폭 애플리케이션에 최적화됐다. LTC2508-32는 61sps의 최저 출력 속도에서 145dB의 뛰어난 동적 범위를 달성하며, LTC2512-24는 50ksps 출력 속도에서 117dB를 달성할 수 있다.

델타-시그마 ADC의 중요한 측면의 하나는 변조기의 출력을 직접 사용할 수 없다는 것이다. 즉, 이 출력은 낮은 분해능 신호로서 쉐이핑 된 양자화 잡음과 매우 낮은 SNR을 가져야 한다. 델타-시그마 변조기의 양자화 잡음을 쉐이핑 하기 위해 다양한 기법을 사용하여 양자화 잡음을 고주파수 대역으로 밀어 올려 필터링을 보다 쉽게 처리하면서 관심 있는 신호는 필터의 통과 대역에서 저주파수에 있도록 한다. 

그런 다음 변조기의 출력을 저역 통과 필터를 통과시켜 사용 가능한 변환 결과를 생성한다. 그러나 아키텍처의 내재적인 특성으로 인해 델타-시그마 변조기는 출력 스펙트럼에서 스퓨리어스 톤을 발생시킨다. 다양한 시도를 해도 변조기에서 발생하는 스퓨리어스 톤이 통과 대역에서 나타나는 것을 볼 수 있다.

이와 같은 스퍼가 존재하는 경우 작은 신호를 검색하는 것은 불가능에 가깝다. 연속 근사 레지스터(SAR) ADC는 이러한 단점이 없으며, 이상적인 수준에 가까운 백색 잡음 전력 스펙트럼을 갖는다. 따라서 매우 낮은 에너지 레벨에서 톤 또는 진동을 검출할 경우 SAR ADC가 바람직한 선택이 될 수 있다. 그러나 많은 SAR ADC는 여전히 16 ~ 18비트 레벨에서 DC 전달 함수에 존재하는 불연속성으로 인해 DC 성능을 저하시킨다.

LTC2508-32 및 LTC2512-24는 우수한 동작의 선형 특성을 가지며, 미싱 코드가 없다. 따라서 애플리케이션은 필터링 된 출력 데이터의 매우 높은 동적 범위를 완전히 이용할 수 있다. 

잡음 스펙트럼 밀도가 불과 22nVRMS/√Hz인 LTC2508-32는 24비트 또는 32비트 분해능으로 모든 경쟁 ADC 솔루션에서 가장 낮은 잡음 성능을 제공한다(그림 1). 델타-시그마 변조기 출력과 달리 리니어 테크놀로지의 이 SAR 컨버터 출력은 평탄한 잡음 전력 스펙트럼 밀도를 가지며, 문제가 되는 톤이 발생하지 않는다. 이것은 디지털 필터를 변조기 잡음과 톤 필터링을 위해서가 아니라 최종 애플리케이션의 요구사항에 맞추어 자유롭게 설계할 수 있다는 것을 의미한다. 

LTC2508-32 필터는 ‘spread-sinc’ 아키텍처를 채택해 저지 대역 제거와 안정화 시간 간의 균형을 신중하게 맞추었다. LTC2512-24 디지털 필터는 fo/4(나이퀴스트 영역의 절반)까지 “타협 없는” 0.001dB 통과 대역 평탄도를 갖는다. LTC2512-24의 필터 천이 영역과 저지 대역 감쇠는 많은 델타 시그마 필터보다 덜 공격적이므로 보다 빠른 안정화와 더 작은 시간 영역 아티팩트를 생성한다. 따라서 톤이 없는 실용적인 필터를 구현할 수 있다.

▲ 그림 1. LTC2508-32의 스텝 응답

LTC2508-32는 4개의 핀 선택 가능한 데시메이션 필터를 제공한다. 필터 특성은 표 1에서 볼 수 있다. 4개의 다른 데시메이션 필터가 제공되므로 설계자는 애플리케이션 선택에 맞추어 잡음과 대역폭 간에 절충할 수 있다. LTC2508-32의 각 구성에서 디지털 필터는 선형 위상 응답을 갖는 저역 통과 FIR(finite impulse response) 필터이다. 이 디지털 필터의 출력은 대응하는 다운샘플링 인자(DF)만큼 다운 샘플링 된다. 

따라서 출력 데이터 속도(fO)는 fSMPL/DF와 같다. 각 데시메이션 필터 선택에서 -3dB 대역폭은 선택한 DF 값에 반비례한다. 각각의 구성은 fO/2와 fSMPL – fO/2의 범위 주파수에 대해 최소 80dB 감쇠를 제공한다. 다운샘플링 인자가 4배 증가할 때마다 ADC 동적 범위는 약 6dB 증가하므로, 그에 따라 동적 범위는 DF=256, 131dB에서부터 최대 DF=16384, 145dB가 된다. 

이것은 24비트의 유효 비트수(ENOB)와 같다. 여기에서 중요한 점은 ADC 결과는 양자화 잡음이 아니라 품질 잡음 프로세스, 즉 열 잡음에 의해 제한된다는 사실이다. 이것은 ADC가 ENOB보다 최소 몇 비트 더 많은 비트를 제공해야 한다는 것을 의미하며, 32비트 출력 워드의 LTC2508-32는 바이트 정수를 사용하는 필터링 된 데이터를 나타내는 데 충분한 수의 비트를 제공한다. 

▲ 표 1. LTC2508-32의 필터 특성

LTC2508-32의 출력은 DF와 관계없이 항상 10 출력 샘플로 완전히 안정화된다. 다운샘플링 인자가 증가하면 대역폭이 감소하므로 잡음이 제한되고 동적 범위가 증가된다. 다운샘플링 인자가 256일 경우 필터링 된 출력의 -3dB 대역폭은 480Hz이므로, 3906sps의 출력 데이터 속도가 생성된다. 가장 높은 16384 DF에서 -3dB 대역폭은 좁은 7.5Hz이며, 가장 높은 잡음 필터링을 제공하고 61sps의 최저 출력 데이터 속도를 생성한다. 

이밖에 LTC2508은 듀얼 데이터 출력 스트림, 32비트 디지털 필터링 된 입력 신호, 그리고 프런트 엔드 SAR 컨버터로부터 직접 지연없는 22비트 합성 출력을 제공한다. 지연없는 출력 워드는 차동 입력을 나타내는 14비트 코드와 입력 공통 모드 전압을 나타내는 8비트 코드로 구성된다. 지연없는 출력은 입력 신호를 빠르게 추적하고 부하 조건의 변동에 즉각 피드백을 제공하므로 특히 제어 애플리케이션에 유용하다. 

또한 수신 신호의 품질을 모니터링하고, 과도한 잡음이나 디지털 필터에 의해 가려질 수 있는 발진 신호를 검출하는 등 시스템 오류를 표시하는 데에도 사용할 수 있다. 이러한 정보는 8비트 공통 모드 값과 함께 사용하여 예측 유지보수에 활용할 수 있다. 공통 모드 전압의 변화는 업스트림의 문제를 나타낼 수 있으므로 잠재 장비 고장으로 이어질 수 있다. 설계자에게 이것은 하나의 시스템에 2개의 ADC가 있는 것과 같아서 부정합이나 드리프트 문제가 없는 완벽하게 일치된 입력 신호를 제공한다. 

LTC2512-24는 LTC2508-32와 유사한 많은 기능을 제공하며, 표 2에서 보는 바와 같이 4개의 핀 선택 가능한 데시메이션 필터를 포함한다. 그림 2는 DC에서부터 fO, 출력 데이터 속도까지 디지털 필터의 진폭 응답을 보여준다. 다운샘플링 인자가 4에서부터 32까지 지원되며, 다운스트림 인자가 2배 증가할 때마다 동적 범위가 3dB 향상된다. LTC2512-24는 동일한 22비트 합성 코드 출력을 가지며, 입력 신호를 거의 이상적으로 실시간으로 나타낸다. LTC2512-24에서 출력은 항상 35 출력 샘플로 완전히 안정화된다. 

▲ 표 2. LTC2512-24의 필터 특성

▲ 그림 2. LTC2512-24 디지털 필터의 주파수 응답 진폭. fO = fSMPL/ DF

LTC2508-32는 ADC가 잡음에 묻힌 극도로 낮은 수준의 신호를 검출해야 하는 지진 감지 애플리케이션과 석유 및 가스 탐사에 뛰어난 선택이다. LTC2512-24는 더 넓은 대역폭과 평탄한 통과 대역을 제공하므로 EKG와 같은 의료 계측에 보다 적합하며, 필터링 된 출력의 높은 동적 범위의 이점을 활용하고 프로브 위치와 같은 실시간 정보를 위한 지연없는 출력을 이용할 수 있다. 이들 ADC는 저속의 필터링 된 출력을 통해서는 즉시 검출할 수 없는 입력 신호의 변동에 빠르게 응답해야 하는 제어 루프를 이용하는 모든 정밀 애플리케이션에 이상적이다. 

앨리슨 스티어(Alison Steer) 혼합 신호 제품 사업부 제품 마케팅 매니저

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