[ADC 심화과정] Sigma Delta ADC 쉽게 이해하기 (Feat. 델타시그마 변조)

오늘은 ADC 변환 방식 중 시그마 델타 변조 방식의 ADC에 대해 알아보도록 하겠습니다.

ADC 변환 방식은 크게 Flash ADC, SAR ADC, Sigma Delta ADC 세 가지가 있는데 오늘은 Sigma Delta ADC를 알아보려 합니다.

아직 저희가 사는 세상은 아날로그적인 환경이기 때문에 아날로그로 감지된 정보를 디지털로 가져오기 위해 몇 가지의 디지털 변환 과정을 거쳐야 하는데, 이 과정은 주로 ADC에서 수행합니다.

이전 포스팅에서 ADC 변환 방식 중 SAR ADC에 대해서 궁금하신 분들은 아래 링크에서 내용 확인해주세요.

electronic-king.tistory.com/109

 

 

 

 

[ADC 심화과정] SAR ADC 쉽게 이해하기 (Feat. 축차비교형 ADC 회로)

1. 델타-시그마 ADC란?

델타-시그마 변조 방식은 Delta 변조 방식으로부터 파생된 analog-to-digital 또는 digital-to-analog 변환 방식이다.

이 방식을 적용한 ADC 또는 DAC 회로는 저가의 CMOS 공정으로 쉽게 구현이 가능하다.

대부분의 아날로그 칩 벤더들은 Sigma delta converter를 제공하고 있다.

 

2. 변환 방법

시그마-델타 ADC 변조방식

 

 

 

 

시그마-델타 구조의 원리는 신호의 값을 대강 예측하여, 오차를 구한 다음, 누적된 오차를 이용하여 오차를 보정해 나가는 것이다.

이 원리에 의하면, 누적 오차 값이 유한하다면, 입력 신호의 평균값과 출력 신호이 평균값은 같아지게 된다.

위 그림을 보면 크게 두 부분으로 나눌 수 있다.

아날로그 샘플을 디지털화하는 과정, 그리고 얻어진 디지털 데이터들을 LPF와 Decimator를 통해 정밀한 데이터로 변환하는 과정이다.

 

시그마-델타 방식의 목적은 아날로그 입력 신호의 누적된 오차를 보정하여 디지털 펄스로 변환하고, 그  면적이 입력 데이터를 반영하도록 ADC 한다는 것이다.

즉, 일종의 PCM(Pulse Coded Modulation)으로 생각하면 이해하기 쉽다.

 

좀 더 세부적으로 보면, Integrator 즉 적분기이다.

최초 얻어진 샘플 1개에 대해 오차를 보정하기 위한 샘플을 수차례 얻고 그것들을 누적하기 위한 회로이다.

디지털 데이터 1개를 위한 샘플링을 여러 번 하는 것인데, 이것을 오버샘플링이라 한다.

 

적분기를 통해 출력된 값은 1bit ADC(비교기)를 통과하여, 기준값보다 높으면 High, 낮으면 Low신호를 출력한다.

즉, 디지털화된 데이터라 보면 된다.

 

 

 

 

다음은 그림 하단의 1bit DAC(사실상 스위치)를 통해 디지털화된 값을 다시 아날로그로 변환해서, 오버샘플링으로 얻어진 오차보정용 아날로그 신호와 뺄셈 연산을 한다. 즉 오차와 에러를 구하는 것이다.

위 과정을 반복해서 얻어진 디지털 펄스 데이터들은 뒷단의 LPF를 통해 고주파수 대역의 노이즈를 걸러내게 된다. 그리고 Decimator에서는 오버샘플링으로 너무 많아진 데이터들을 솎아내어 원하는 샘플링 주파수 대역을 맞춘다.

Decimator를 사용하는 이유는 데이터가 너무 많거나 오버샘플링으로 샘플을 획득한 경우 엘리어싱이 발생할 수 있기 때문에 적절하게 신호 대역을 낮춰주는 역할을 한다.

 

시그마-델타 방식이 정밀한 이유는 오버샘플링을 통한 오차 보정과 디지털 필터를 이용한 LPF가 존재하기 때문이다.

반대로 오버샘플링을 하기 때문에 고속의 신호는 변환이 어렵다.

 

3. Sigma-Delta ADC의 장단점

장점

• 다른 ADC 변환 방식보다 정밀하고 정확하다.
• 가격이 저렴하게 회로를 구성할 수 있다.

단점

• 빠른 속도의 ADC 즉, 고속 ADC로는 사용이 불가능하다.

오늘은 ADC 변환 방식 중 Sigma-Delta ADC에 대해 알아보았습니다. 

혹시라도 글 내용을 보며, 정확히 알지 못하는 용어가 있다면 용어에 대한 내용을 확인하고 이해한 후에 글을 읽는다면 훨씬 이해하고 사용하는데 도움이 될 것입니다. 끝.