Analog-to-digital converter

ADC란 Analog-to-digital converter의 약자이다. 즉 연속적인 analog 신호를 0과 1로 discrete하게 구성된 digital 신호로 변환하는 칩(I/C)이다. 아래 그림은 아주 간단하게 표현된 ADC의 동작 과정이다. 아날로그 신호가 들어와서, 결국 0과1로 구성된 디지털 신호로 바뀌게 된다. 위 그림에서 그래프를 x, y축이라 보면, x축에서(시간 축에서) 신호를 나누는 것이 sampling, y축에서(전압 축에서) 신호를 나누는 것이 quantization이라고 쉽게 생각할 수 있다. 위 그림은 sampling을 나타낸 것이다. Sampling clock의 주기가 짧을수록(주파수가 높을수록) 원래 파형과 비슷하게 됨을 알 수 있다. 반면 데이터의 양이 너무 많아져 처리하기 곤란할 수 있다는 단점이 되기도 한다. 초(second)당 몇 번 sampling을 하는지를 SPS(sample per second)라고 하며, ADC의 가장 중요한 스펙 중 하나인 sampling rate의 단위이다. 만약 어떤 ADC의 sampling rate가 200 KSPS이라면 1초당 200*1000번을 sampling하여 1초당 200,000개의 데이터가 나오는 것이다. 요즘은 워낙 세상이 좋아져서 MSPS, GSPS 단위의 ADC도 자주 쓰인다. 이렇게 sampling을 통해 측정한 전압의 값을 digital 값으로 바꾸는 과정이 quantization이다. 이때 표현할 수 있는 값의 단위가 8-bit(0~255)면 256개로, 10-bit(0~1023)면 1024개로 더 정밀하게 표현된다. 이러한 단위를 resolution(해상도, 분해능)이라고 부른다. 만약 입력되는 아날로그 신호의 voltage level이 0~3V라면 8-bit의 경우 3/256=11.718mV 간격으로 표시할 수 있으며, 10-bit의 경우 3/1024=2.929mV 간격으로 표시할 수 있다. 즉 ADC를 쓸 때 SPS와 resolution을 잘 확인하여 원하는 ADC를 선택해야 한다. SPS가 높으면 시간 축에서 정밀하게, resolution이 높으면 전압 축에서 정밀하게 신호를 추출할 수 있다.

설명

ADC는 연속 시간 및 연속 진폭 아날로그 신호 를 이산 시간 및 이산 진폭 디지털 신호로 변환 합니다. 변환에는 입력 양자화 가 포함 되므로 필연적으로 적은 양의 오류 또는 노이즈가 발생합니다. 또한 ADC는 변환을 지속적으로 수행하는 대신 주기적으로 변환을 수행하여 입력을 샘플링 하여 입력 신호의 허용 대역폭을 제한합니다. ADC의 성능은 주로 대역폭 및 신호 대 잡음비 (SNR)가 특징입니다. ADC의 대역폭은 주로 샘플링 속도로 특징 지워진다 . ADC의 SNR은 해상도 , 선형성 및 정확도 (양자화 레벨이 실제 아날로그 신호와 얼마나 잘 일치하는지), 앨리어싱 및 지터 등 많은 요소의 영향을받습니다 . ADC의 SNR은 유효 비트 수 (ENOB)로 요약되는 경우가 많으며 , 평균이 노이즈가 아닌 각 측정 값의 비트 수. 이상적인 ADC는 해상도와 동일한 ENOB를 갖는다. ADC는 디지털화 할 신호의 대역폭과 필요한 SNR을 맞추기 위해 선택됩니다. ADC가 신호 대역폭의 두 배보다 큰 샘플링 속도로 작동하면 Nyquist-Shannon 샘플링 이론에 따라 완벽한 재구성이 가능합니다. 양자화 오차의 존재는 심지어 이상적인 ADC의 SNR을 제한한다. 그러나 ADC의 SNR이 입력 신호의 SNR을 초과하면 그 영향이 무시되어 아날로그 입력 신호의 디지털 표현이 본질적으로 완벽 해집니다.

해결방법

변환기의 해상도는 아날로그 값의 범위에서 발생할 수있는 불연속 값의 수를 나타냅니다. 해상도는 양자화 오차 의 크기를 결정하므로 오버 샘플링을 사용하지 않고 이상적인 ADC에 대해 가능한 최대 평균 신호 대 잡음비 를 결정합니다 . 값은 일반적으로 전자 형식 으로 이진 형식 으로 저장 되므로 해상도는 일반적으로 오디오 비트 심도 로 표시됩니다 . 결과적으로 사용 가능한 개별 값의 수는 2의 거듭 제곱이라고 가정합니다. 예를 들어, 8 비트의 분해능을 가진 ADC는 아날로그 입력을 256 가지 레벨의 아날로그 입력으로 인코딩 할 수 있습니다 (2 8 = 256). 값은 응용 프로그램에 따라 0 - 255 (즉, 부호없는 정수) 또는 -128 - 127 (즉 부호있는 정수) 범위를 나타낼 수 있습니다. 해상도는 전기적으로 정의 할 수 있으며 볼트로 표시됩니다 . 출력 코드 레벨의 변화를 보장하는 데 필요한 전압 변화를 최하위 비트 (LSB) 전압 이라고합니다 . ADC 의 분해능 Q 는 LSB 전압과 동일하다. ADC의 전압 분해능은 전체 전압 측정 범위를 인터벌 수로 나눈 값과 같습니다.

${\ displaystyle Q = {\ dfrac {E _ {\ mathrm {FSR}}} {2 ^ {M}}},}$

여기서 M 은 비트 단위 ADC 분해능이고 E _FSR 은 풀 스케일 전압 범위 (스팬이라고도 함)입니다. E _FSR이 주어진다

${\ displaystyle E _ {\ mathrm {FSR}} = V _ {\ mathrm {RefHi}} -V _ {\ mathrm {RefLow}}, \,}$

여기에서 V _RefHi 및 V _RefLow 는 각각 코딩 할 수있는 전압의 상한 및 하한입니다.

${\ displaystyle N = 2 ^ {M}, \,}$

그림 1. 8 레벨 ADC 코딩 스키마.

이상적인 표본 신호.

재구성 필터가 없는 기존 adc의 조각 별 일정 출력 . 실용적인 adc에서, 필터 또는 장치의 유한 대역폭은 스텝 응답을 연속 커브로 부드럽게합니다.

• 도 1과 같은 코딩 방식
• 풀 스케일 측정 범위 = 0 ~ 1 볼트
• ADC 분해능은 3 비트 : 2 3 = 8 양자화 레벨 (코드)
• ADC 전압 분해능, Q = 1V / 8 = 0.125V.

전원 관리 IC는 전력의 흐름과 방향을 제어하는 ​​솔리드 스테이트 장치입니다. 많은 전기 장치에는 여러 가지 내부 전압 (예 : 5V, 3.3V, 1.8V 등) 및 외부 전원 소스 (예 : 벽면 콘센트, 배터리 등)가 있습니다. 이는 장치의 전원 설계에 여러 요구 사항이 있음을 의미합니다 운영을 위해. PMIC는 개별 전력 관련 기능인 칩을 지칭 할 수 있지만, 전압 변환 및 저전압 보호와 같은 전력 변환 및 전력 변환과 같은 여러 기능을 통합 한 IC를 일반적으로 지칭한다. 이러한 기능을 하나의 IC에 통합함으로써보다 나은 변환 효율, 더 작은 솔루션 크기 및 더 나은 열 발산과 같은 전체 설계에 대한 많은 개선이 이루어질 수 있습니다.

유형

다음은 전자 ADC를 구현하는 가장 일반적인 방법입니다.

직접 변환

병렬 비교기 ADC

카운터 유형 ADC

서보 트래킹 ADC

연속 근사

램프 비교

윌킨슨

통합

ADC 밸런싱

듀얼 슬로프 ADC

델타 인코딩

파이프 라인

시그마 - 델타

시간 인터리브

중급 FM 단계

다른 유형