KR100517543B1

KR100517543B1 - 기준전압 제어기능을 갖는 아날로그/디지털 및 디지털/아날로그컨버터

Info

Publication number: KR100517543B1
Application number: KR1019980007781A
Authority: KR
Inventors: 장현정
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 1998-03-09
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 2005-12-02
Anticipated expiration: 2018-03-09
Also published as: KR19990074299A

Abstract

본 발명은 ADC/DAC에 관한 것으로, 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터는 레퍼런스전압을 출력시키고, 입력 레벨 디텍터는 레퍼런스전압과 입력신호를 비교하여 스위칭신호를 출력하고, 선택 전압/전류 컨버터는 스위칭신호에 따라 레퍼런스전압을 전류로 변환시키고, 제너레이터 VDD를 전압을 1/2로 강하시켜 출력시키고, 제1 전류/전압 컨버터는 제1 레퍼런스 전압을 출력시키고, 제2 전류/전압 컨버터는 제2 전류/전압 컨버터는 제2 레퍼런스 전압을 출력시킨다. 이와 같이 구성된 발명에 의하면, 입력신호에 따라 레퍼런스 전압을 가변 시킬 수 있다.

Description

기준전압 제어기능을 갖는 아날로그/디지털 및 디지털/아날로그 컨버터{AD/DA Converter with Reference Voltage Control Function}

본 발명은 컨버터에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 아날로그/디지털 및 디지털/아날로그 컨버터의 기준전압 제어장치에 관한 것이다.

기존의 아날로그/디지털 및 디지털/아날로그 컨버터의 기준전압 발생장치(Generator)는 외부에서 다른 소자(Regulator)를 이용하여 왔다.

최근에는 내장형으로 된 기준 정밀 전압 레퍼런스가 많이 필요하고 아날로그/디지털 및 디지털/아날로그 컨버터뿐만 아니라 다른 곳에서도 많이 이용되고 있다. 또한 이와 같은 컨버터에서 기준 전압(Reference Voltage)은 비트 수가 증가하여 1LSB값이 감소할수록 점점 더 정밀한 것이 요구된다. 이러한 정밀 레퍼런스 발생장치는 온도나 파워단의 노이즈에 안정되게 작용하는 밴드 갭 레퍼런스를 기준으로 N배(N은 0을 제외한 실수) 증폭하여 원하는 전압 레벨을 만들어 왔다.

저전력 파워 서플라이(Low Power Supply)를 사용하는 컨버터는 레퍼런스의 상위 전압(VREF+)와 레퍼런스의 하위 전압(VREF-)이 고정되어 있다. 따라서 파워 서플라이 전압의 동작 전압 레벨 중 가장 작은 전압에서도 동작할 수 있게 VREF+와, VMID, VREF- 전압 레벨을 결정한다. 이때, 결정된 VREF+와 VAGND 혹은 VAGND와 VREF- 전압차 즉 Full Scale이 결정되고 이 전압차는 ADC/DAC에서 처리할 수 있는 아날로그 최대 값(Analog Max Level)이 된다.

그러나 ADC/DAC에서 처리하는 아날로그 신호는 아주 작은 레벨에서나 최대 레벨에서나 같은 레퍼런스 전압을 사용하기 때문에 Full Scale/Bit는 1LSB로 고정된다. 따라서 작은 레벨(1LSB)의 신호가 들어오면 AD변환하기 어려워진다.

따라서, 본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 입력 레벨 디텍터를 구비하고 있어 큰 레벨과 작은 레벨에 레퍼런스전압을 달리 함으로써 분해도(Resolution)가 좋아지고 레퍼런스가 고정된 것 보다 작은 신호까지 처리할 수 있는 아날로그/디지털 및 디지털/아날로그 컨버터를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 제안된 본 발명의 특징에 의하면, 기준전압 제어기능을 갖는 아날로그/디지털 및 디지털/아날로그 컨버터는 제1 레퍼런스전압과 제2 레퍼런스전압을 출력시키는 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터와, 아날로그 입력신호와 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터의 제1 레퍼런스전압을 비교하여 스위칭신호를 출력시키는 입력 레벨 디텍터와, 입력 레벨 디텍터의 스위칭신호에 따라 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터의 제2 레퍼런스전압을 전류로 변환시켜 출력하는 선택 전압/전류 컨버터와; 전원 전압의 1/2의 전압을 출력시키는 전압 레퍼런스 제너레이터와; 전압 레퍼런스 제너레이터의 출력전압과 선택 전압/전류 컨버터의 출력 전류에 따라 비교전압과 제1 레퍼런스 출력전압을 출력시키는 제1 전류/전압 컨버터와; 제1 전류/전압 컨버터의 비교전압에 따라 제2 레퍼런스 출력전압을 출력시키는 제2 전류/전압 컨버터를 포함한다.

이 특징의 바람직한 실시예에 있어서, 입력 레벨 디텍터는 아날로그 입력신호와 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터의 제1 레퍼런스 전압을 비교하여 비교신호를 출력하는 비교기와; 비교기의 비교신호가 하이레벨이고 클록 신호가 2회 발생되면 하이레벨의 스위칭신호를 출력하고, 비교기의 비교신호가 로우레벨이고 클록 신호가 2회 발생되면 로우레벨의 스위칭신호를 출력시키는 레벨 디텍터를 포함한다.

이 특징의 바람직한 실시예에 있어서, 선택 전압/전류 컨버터는 입력레벨디텍터의 스위칭신호를 반전시키는 인버터와; 비반전입력단으로 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터로부터의 제2 레퍼런스전압이 인가되는 비교기와; 비교기의 반전입력단과 접지간에 직렬로 접속된 제1 및 제2 저항과; 인버터의 출력신호에 따라 제1 저항의 양단을 스위칭 시키는 스위치와; 게이트는 비교기의 출력과 접속된 MOS FET트랜지스터와; MOS FET트랜지스터의 소스와 비교기의 반전입력단간에 접속된 제3 저항을 포함한다.

이 특징의 바람직한 실시예에 있어서, 전압 레퍼런스 제너레이터는 전원 전압과 접속된 제1 저항과; 제1 저항과 접지간에 접속된 제2 저항과; 비반전입력단은 제1 및 제2 저항간에 접속되고, 출력단과 반전입력단이 접속된 비교기를 포함한다.

이 특징의 바람직한 실시예에 있어서, 제1 전류/전압 컨버터는 선택 전압/전류 컨버터의 전류와 전압 레퍼런스 제너레이터의 출력전압을 비교하여 비교전압을 출력시키는 제1 비교기와; 제1 비교기의 반전입력단과 출력단간에 접속된 제1 저항과; 제1 비교기의 출력단과 접속된 제2 저항과; 반전입력단은 제2 저항과 접속되고, 비반전입력단은 전압 레퍼런스 제너레이터의 출력전압이 인가되는 제2 비교기와; 제2 비교기의 반전입력단과 출력단간에 접속된 제3 저항과; 비반전입력단은 제2 비교기의 출력신호가 인가되고, 비반전입력단과 출력단이 접속되고, 제1 레퍼런스 출력전압을 출력시키는 제3 비교기를 포함한다.

이 특징의 바람직한 실시예에 있어서, 제2 전류/전압 컨버터는 비반전입력단은 제1 전류/전압 컨버터의 비교전압이 인가되고, 반전입력단과 출력단이 접속되고, 제2 레퍼런스 출력전압을 출력시키는 비교기를 포함한다.

이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 신규한 기준전압 제어기능을 갖는 아날로그/디지털 및 디지털/아날로그 컨버터는, 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터(11), 입력 레벨 디텍터(12), 선택 전압/전류 컨버터(13), 전압 레퍼런스 제너레이터(14), 제1 전류/전압 컨버터(15), 제2 전류/전압 컨버터(16)를 구비하여, 입력전압에 따라 기준전압레벨을 가변 시켜 출력시킨다.

도면에서, 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터(11)는 일반적인 밴드 갭 레퍼런스 (Normal Bandgap Reference) 회로를 사용한다.

여기서 밴드 갭 레퍼런스 바이어싱(Bandgap Reference Biasing) 방법은 N채널 CMOS를 사용하는데, 바이폴라 트랜지스터 SPNP의 VBE 네가티브 TC와 VT=KT/q의 포지티브 TC가 서로 상쇄되도록 회로의 저항과 TR의 크기를 조절하여 기준전압 TC를 0으로 만든다. 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터(11)의 출력은 1.2V이다.

입력 레벨 디텍터(12)는 비교기(21)와 레벨 디텍터(22)를 구비하여 구성된다.

도 3은 입력 레벨 디텍터(12)의 레퍼런스 전압(VB), 아날로그 입력신호(VA), 비교기의 출력신호(VC) 및 출력신호(VD)의 타이밍을 나타낸 도면이다.

도면에서 (1)은 레퍼런스 전압(VB)과 아날로그 입력신호(VA)의 파형이고, (2)는 비교기의 출력신호(VC)의 파형을 나타낸 것이다. 도면에 나타난 바와 같이, 아날로그 입력신호(VA)가 레퍼런스 전압(VB)보다 큰 경우는 하이레벨을 출력시킨다.

도면에서 (3)은 FS CLK을 4분주한 8㎑/16(500㎐)의 클록을 나타낸 것이다.

이와 같은 입력 레벨 디텍터(12)는 (2)와 (3)의 입력을 받아 (2)가 하이레벨이면 (3)이 하이레벨인 구간이 2회이상 반복시 3번째 FS CLK/16에서 하이레벨을 출력한다.

또한 (2)와 (3)의 입력을 받아 (2)가 로우레벨일 때 (3)이 하이레벨인 구간이 2회이상 반복시 3번째 FS CLK/16에서 로우레벨을 출력한다.

즉, 큰 레벨이 들어올 때는 입력 레벨 디텍터(12)는 하이레벨을 출력하고 작은 레벨이 입력신호로 들어올 때는 로우레벨을 출력한다.

도 4는 도 1에 도시된 선택 전류/전압 컨버터(13)를 상세히 도시한 도면이다. 이와 같은 선택 전류/전압 컨버터(13)는 밴드갭(band-gap) 전압을 입력으로 받아 레벨 디텍터(22)의 출력신호(VD)에 따라 출력 커런트를 선택적으로 출력할 수 있다.

출력 전류(I)는 다음 수학식 1로 표현된다.

[수학식 1]

레벨 디텍터(22)의 출력신호(VD)가 하이레벨인 경우 아날로그 스위치(SW1; 예컨대 트랜스미션 게이트)를 스위칭 온 시키게 된다. 이때의 출력 전류(I)는 다음 수학식 2로 표현된다.

[수학식 2]

[수학식 3]

만일, 레벨 디텍터(22)의 출력신호(VD)가 로우레벨인 경우 출력 전류(I)는 다음 수학식 3으로 표현된다.

도 5는 전압 레퍼런스 제너레이터(14)를 상세히 나타내 도면이다. 도면에서 출력전압(Vagnd)은 다음의 수학식 4로 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

도 6은 제1 전류/전압 컨버터(15)와 제2 전류/전압 컨버터(16)는 전류(I)를 입력받아 레퍼런스 전압을 발생시킨다.

제1 레퍼런스 출력전압(Vref-)과 제2 레퍼런스 출력전압(Vref+)은 다음의 수학식으로 나타낼 수 있다.

[수학식 5]

[수학식 6]

도면에서 증폭기 61는 전류-전압 증폭기이다. 또한, 증폭기 62는 입력 전압을 Vagnd를 기준으로 반전시키는 반전 증폭기이다. 그리고 증폭기 63과 증폭기 64는 버퍼 앰프(Buffer Amp)로서 출력 구동 능력을 키우고 출력 저항 성분을 줄인다.

도 7은 아날로그 입력신호에 대한 (Vref+ - Vagnd)의 크기를 나타낸 것이고, 도 8은 고정 레퍼런스(Fixed Reference)일 때 입력신호에 대한 1LSB의 크기를 나타낸 것이고, 도 9는 선택 레퍼런스(Selectable Reference)일 때 입력신호에 대한 1LSB의 크기를 나타낸 것이다.

본 발명은 종래의 ADC/DAC는 Full Scale/Bit가 1LSB로 고정됨으로써 작은 레벨의 신호가 들어오면 AD변환하기 어려워진 문제점을 해결한 것으로, 입력 레벨 디텍터를 구비하고 있어 큰 레벨과 작은 레벨에 레퍼런스전압을 달리 함으로써 분해도(Resolution)가 좋아지고 레퍼런스가 고정된 것 보다 작은 신호까지 처리할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기준전압 제어기능을 갖는 아날로그/디지털 및 디지털/아날로그 컨버터를 나타낸 도면;

도 2는 도 1에 도시된 입력 레벨 디텍터를 상세히 도시한 도면;

도 3은 도 2에 도시된 입력 레벨 디텍터의 각 부분의 전압 파형을 상세히 도시한 도면;

도 4는 도 1에 도시된 선택 전압/전류 컨버터를 상세히 도시한 도면;

도 5는 도 1에 도시된 전압 레퍼런스 제너레이터를 상세히 도시한 도면;

도 6은 도 1에 도시된 제1 및 제2 전류/전압 컨버터를 상세히 도시한 회로도;

도 7은 아날로그 입력신호에 대한 Vref+ - Vagnd의 크기를 나타낸 파형도;

도 8은 고정 레퍼런스일 때 입력신호에 대한 1LSB의 크기를 나타낸 파형도;

도 9는 선택 레퍼런스일 때 입력신호에 대한 1LSB의 크기를 나타낸 파형도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터 12 : 입력 레벨 디텍터

13 : 선택 전압/전류 컨버터 14 : 전압 레퍼런스 제너레이터

15 : 제1 전류/전압 컨버터 16 : 제2 전류/전압 컨버터

Claims

제1 레퍼런스전압(VB)과 제2 레퍼런스전압(VG)을 출력시키는 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터(11)와;

아날로그 입력신호(VA)와 상기 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터(11)의 제1 레퍼런스전압(VB)을 비교하여 스위칭신호(VD)를 출력시키는 입력 레벨 디텍터(12)와;

입력 레벨 디텍터(12)의 스위칭신호(VD)에 따라 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터(11)의 제2 레퍼런스전압(VG)을 전류(I)로 변환시켜 출력하는 선택 전압/전류 컨버터(13)와;

전원 전압(VDD)의 1/2의 전압(Vagnd)을 출력시키는 전압 레퍼런스 제너레이터(14)와;

전압 레퍼런스 제너레이터(14)의 출력전압(Vagnd)과 선택 전압/전류 컨버터(13)의 출력 전류(I)에 따라 비교전압(Vr)과 제1 레퍼런스 출력전압(Vref-)을 출력시키는 제1 전류/전압 컨버터(15)와;

제1 전류/전압 컨버터(15)의 비교전압(Vr)에 따라 제2 레퍼런스 출력전압(Vref+)을 출력시키는 제2 전류/전압 컨버터(16)를 구비하여 입력신호(VA)의 레벨에 따라 기준전압이 적응적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 아날로그/디지털 컨버터.
제 1 항에 있어서,

상기 입력 레벨 디텍터(12)는 아날로그 입력신호(VA)와 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터(11)의 제1 레퍼런스전압(VB)을 비교하여 비교신호(VC)를 출력하는 비교기(21)와;

비교기(21)의 비교신호(VC)가 하이레벨이고 클록 신호(FS CLK)가 2회 발생되면 하이레벨의 스위칭신호(VD)를 출력하고, 비교기(21)의 비교신호(VC)가 로우레벨이고 클록 신호(FS CLK)가 2회 발생되면 로우레벨의 스위칭신호(VD)를 출력시키는 레벨 디텍터(22)를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 아날로그/디지털 컨버터.
제 1 항에 있어서,

상기 선택 전압/전류 컨버터(13)는 입력레벨디텍터(12)의 스위칭신호(VD)를 반전시키는 인버터(INV1)와;

비반전입력단(+)으로 밴드 갭 레퍼런스 제너레이터(11)로부터의 제2 레퍼런스전압(VG)이 인가되는 비교기(41)와;

상기 비교기(41)의 반전입력단(-)과 접지간(VSSA)에 직렬로 접속된 제1 및 제2 저항(R2, R1)과;

인버터(INV1)의 출력신호에 따라 제1 저항(R2)의 양단을 스위칭 시키는 스위치(SW1)와;

게이트는 비교기(41)의 출력과 접속된 MOS FET트랜지스터(MN)와;

MOS FET트랜지스터(MN)의 소스와 비교기(41)의 반전입력단(-)간에 접속된 제3 저항(R3)을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 아날로그/디지털 컨버터.
제 1 항에 있어서,

상기 전압 레퍼런스 제너레이터(14)는 전원 전압(VDD)과 접속된 제1 저항과;

제1 저항(RD1)과 접지(VSS)간에 접속된 제2 저항과;

비반전입력단(+)은 제1 및 제2 저항간에 접속되고, 출력단과 반전입력단(-)이 접속된 비교기(51)를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 아날로그/디지털 컨버터.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 전류/전압 컨버터(15)는 선택 전압/전류 컨버터(13)의 전류(I)와 전압 레퍼런스 제너레이터(14)의 출력전압(Vagnd)을 비교하여 비교전압(Vr)을 출력시키는 제1 비교기(61)와;

제1 비교기(61)의 반전입력단(-)과 출력단간에 접속된 제1 저항(R4)과;

제1 비교기(61)의 출력단과 접속된 제2 저항(R5)과;

반전입력단(-)은 제2 저항(R5)과 접속되고, 비반전입력단(+)은 전압 레퍼런스 제너레이터(14)의 출력전압(Vagnd)이 인가되는 제2 비교기(62)와;

제2 비교기(62)의 반전입력단(-)과 출력단간에 접속된 제3 저항(62)과;

비반전입력단(+)은 제2 비교기(62)의 출력신호가 인가되고, 비반전입력단(-)과 출력단이 접속되고, 제1 레퍼런스 출력전압(Vref-)을 출력시키는 제3 비교기(63)를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 아날로그/디지털 컨버터.
제 1 항에 있어서,

상기 제2 전류/전압 컨버터(16)는 비반전입력단(+)은 제1 전류/전압 컨버터(15)의 비교전압(Vr)이 인가되고, 반전입력단(-)과 출력단이 접속되고, 제2 레퍼런스 출력전압(Vref+)을 출력시키는 비교기(64)를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 아날로그/디지털 컨버터.