아날로그 디지털 변환 회로

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1. 개요2. 종류

1. 개요

아날로그 디지털 변환 회로(Analog-to-digital converter)

줄여서 ADC라고도 부른다. DAC와는 반대의 역할을 수행하는 부품이다. 센서값이나 소리 같은 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 방식으로는 병렬비교형과 적분형 등이 있다.

쉽게 말하자면 마이크에서 들은 소리나 카메라에서 찍은 빛을 디지털 데이터로 전환시키기 위한 부품을 칭한다. 보통은 내장형이거나 외장형으로 많이 나오며 DAC 역할도 같이 수행하는 단일 콤보 칩셋도 많이 쓰이는 편이다. 일반적으로 MCU 계통에서는 다수의 ADC를 내장 하지만 32비트를 넘어서는 AP까지 가면 거의 탑재 안하는 경우가 많다.[1][2]

사실상 현대의 거의 대부분의 센서라고 부를만한 물건에는 거의 다 달려 있는 필수요소중 하나이다. 기본적으로 외부 신호는 아날로그이고 ADC가 없으면 읽어낼수가 없는 경우가 대다수이기 때문에 대부분의 기기에 널리 쓰이는 회로이다.

그리고 전자 계측기의 성능의 척도 중 하나로 아날로그 계측기가 아닌 이상 대부분의 전자 계측기의 성능은 내장 ADC칩셋의 성능에 달려있다. 다만, 그렇다고 ADC가 고성능이라고 무조건 고급 측정기라고 보기는 힘들다. 사실 비싼 전자 계측기에서 가장 큰 비용을 차지하는 부분은 데이터 프로세싱을 하는 DSP 쪽이다. 이 때문에 몇천만 원짜리 오실로스코프가 ADC 분해능은 8비트만 하는 경우도 있다. 사실 계측기에 낮은 분해능의 ADC를 사용하는 이유는 ADC가 중요하지 않아서 그런 것이 아니라 높은 비트의 ADC를 쓰면 내부의 DSP가 정보량을 감당을 못하기 때문이다.

ADC자체는 아날로그 소자로 효율적으로 동작하기 위해서는 저역통과필터, SH(Sample and Hold) 등 주변회로도 적절하게 설계되어아한다. 특히 목적에 맞게 대역폭과 분해능의 목표치를 정하고 ADC회로와 주변회로를 선정해야한다. 패키징된 ADC IC를 쓰더라도 주변회로 문제도 전문적인 회로 설계자를 쓰는 이유이기도 하다.

2010년 이후에는 각종SoC에 함께 설계되어 나오는 IC들도 많이 존재한다. 이 경우 펌웨어에서 ADC데이터를 바로 받아 레지스터 설정만으로 쉽게 ADC기능을 구현할 수 있다. 하지만 일반적으로 ADC와 MCU를 하나로 패키징하면서 반도체 면적, 발열, 소비전력 등 문제로 고성능보다 저성능 혹은 중간정도의 성능을 가진 것들로 구성된다. 그래서 고성능이 필요하다면 개별로 설계하는 편.

2. 종류

Flash ADC

SAR ADC
하나의 비교기와 Capacitor [3]-DAC을 이용한 ADC. 샘플된 인풋을 1개의 비교기가 양자화하고, 그 값에 따라 Capacitor-DAC을 스위칭해서 양자화 기준점을 바꾼다. 바뀐 기준점에 대해 비교기는 재귀적으로 동작한다. 따라서 기본적으로 N-bit 변환을 위해 비교기가 N번 동작하는 방식이다. Capacitor-DAC을 스위칭하는 디지털 로직 속도에 변환 속도가 많은 영향을 받기 때문에 공정이 진화해오면서 많은 수혜를 받은 구조이다. Flash보다는 이론적으로 느리지만 단 한개의 비교기만을 이용하기 때문에 전력소모가 매우 적고 고해상도로도 구현 가능하다. 게다가 면적도 적고 비교기 간의 미스매치를 보정해줄 필요도 없어 여러모로 장점이 많다. 어플리케이션에 맞게 속도와 해상도를 조절하기도 좋기 때문에, 폭넓은 분야에 사용된다.

Pipelined ADC

Noise-Shaping SAR ADC
SAR의 변환 이후 남은 잔여물을 인풋 쪽으로 피드백시켜서 에러의 양을 최소화 시키는 방식. DSM ADC와 SAR ADC의 장점을 합친 방식이라고 볼 수 있다. 해상도를 높이기 위해선 DSM과 마찬가지로 오버샘플링이 필수적인데, 최근엔 SAR ADC의 변환 속도가 꽤나 빨라지면서 중간 주파수대역에서 고해상도를 가지는 어플리케이션에 주로 이용되고 있다.

Single-slope (or dual-slope) ADC

* Delta sigma modulator (DSM) ADC
기존의 ADC는 모두 고정된 양자화 기준점을 가지고 한 번에 샘플된 인풋이 어느 기준점에 가장 가깝냐 판단하는 것으로 변환하였다. 즉 Flash든 SAR든 그 기준점을 어떻게 만드냐만 다를 뿐, 근본적으로 기준점에 갖다 대고 즉각적으로 비교한다는 것은 동일하다. 하지만 DSM은 기존의 ADC들은 한 번만 변환해서 알 값들을 추가적으로 샘플하는 오버샘플링 과정을 갖는다. 이는 샘플링 속도보다 인풋의 속도가 매우 느리다면, 필터링을 통해 양자화 에러를 원래의 고정된 값보다 줄일 수 있기 때문이다. 예를 들어 인풋이 고정된 값이라고 생각해보자. 인풋은 0.75로 꾸준히 유지되고, 양자화 기준점은 0.5 한개밖에 없다. (즉 1bit ADC이다.)
DSM은 이 0.75를 꾸준히 샘플하고, 비교기값에 따라 인풋에 feedback 한다. 이렇게 되면 비교기의 아웃풋은 111011101110..을 반복하게 된다.(전통적인 1차 DSM이라면) 여기서 1과 0의 개수를 평균낸다면(이는 저역통과 필터를 통과시킨다는 말과 같다.) 어떻게 될까? 평균값은 0.75가 된다. 즉 1bit ADC로도 정확한 input값을 예측할 수 있는 것이다. 이러한 방식의 ADC는 초창기엔 너무 많은 로직들이 필요하고, 속도 제한이 많아서 인정받지 못했지만 지금은 오디오 분야에서 초고해상도 변환을 위해선 필수적인 방법이다.

[1] 본격적인 AP까지 가면 AP 단독으로 쓰이지 않고 RAM이나 eMMc 등의 구성요소가 들어가는 만큼 커져서 당연히 기기에 ADC칩도 따로 넣을 수 있고, 사용 용도상 AP로 직접 아날로그 센서를 읽을 이유도 없다.[2] 대충 예시를 들면 라즈베리 파이를 생각하면 된다. MCU가 아닌 AP를 탑재한 보드이기 때문에 별도로 ADC칩셋을 달아주거나 다른 보드와 통신을 하게 하던가 해야 통신이 가능하다.[3] 초기에는 저항을 이용하였다.

아날로그 디지털 변환 회로

1. 개요

2. 종류

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