Pipelined ADC with supply-referencing technique for WAVE(wireless access in vehicular environments) application systems

Abstract

오늘날 자동차가 인류의 삶에 있어서 필수적인 부분이 됨에 따라, 인간 생활에 조금 더 편리한 차량의 개발과 교통 안전및 효율적인 교통 통제를 위해 지능형 교통 시스템(ITS)의 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 지능형 교통 시스템에 대한 다향한 연구 중에서 무선 통신과 센서 시스템은 가장 핵심적인 기술에 해당한다. 아날로그-디지털 변환기(ADC)는 차량의 무선 통신 및 센서 시스템이 디지털 신호처리를 가능케 하는 핵심 회로이다. 본 학위 논문은 차량 환경에서의 무선 접속 시스템(WAVE) 응용을 위해 적합한 파이프라인 ADC의 연구에 관한 것이다. 차량용 전자회로는 신뢰성이 무엇보다 중요하기 때문에, 개발된 ADC는 최근의 저전력 소모 추세보다는 새롭게 제안한 몇 가지 회로기술을 바탕으로 신뢰성이 높은 ADC의 개발에 초점을 맞춰 진행하였다.

대부분의 SoC 칩들에 집적되는 아날로그 및 디지털 회로는 필수적으로 외부 전압의 변동에 대한 영향을 최소화하기 위해 LDO(Low-Drop Out circuit)가 사용되고, 기준 전압이 필요한 아날로그 회로는 별도의 기준전압 구동회로(reference driver)가 함께 집적된다. 이와 같은 구동회로는 칩의 면적 및 전력 소모를 증가시키는 요인이 된다. 본 논문에서는 LDO가 갖는 기본적인 구동 능력을 이용하여, 별도의 기준전압 구동회로의 제거를 통해 칩 면적과 전력소모를 감소시키고자 하였다. 또한, LDO의 출력 전압을 ADC의 전원 전압과 동시에 기준 전압으로 사용하는 LDO supply-referencing 기술을 제안함으로써, 회로의 overdrive 전압의 필요성으로 인해 야기되었던 기준 전압 범위 감소라는 기존 기술의 문제점을 제거하였다. 따라서, 전원 전압 전체 범위까지 기준전압 범위를 확장함으로써 ADC의 입력신호에 대한 제약사항을 제거 하였다.

또한, LDO supply-referencing 기술의 장점을 최대로 활용하고자 작은 입력 신호를 ADC 자체적으로 큰 입력신호를 처리하는것과 같은 효과를 얻기 위해 internal signal 증폭 기술이 제안되었다. 이 기술은 기존의 파이프라인 stage와 달리 입력 신호 범위 대비 큰 증폭된 잔류 전압을 출력하게 함으로써, 파이프라인 ADC의 에러 보정 범위를 확장하여 ADC가 에러에 더욱 강한 특성을 지니도록 함으로써, 차량 환경에서의 극심한 온도 변화에서 발생할 수 있는 에러를 효과적으로 보정할 수 있게 하였다. 부가적으로 제안된 기술은 이어지는 파이프라인 stage의 design requirement를 크게 완화 할 수 있는 장점도 갖게된다.

마지막으로, 기존의 SHA(Sample and Hold Amplifier)가 없는 파이프라인 ADC는 입력 신호를 샘플링하는 샘플링 클럭을 생성하기위해 ADC의 실제 동작 주파수 보다 두배 빠른 스피드를 갖는 클럭이 필수적으로 필요 하였고, 샘플링 클럭에 jitter가 누적되는 단점을 지니고 있었다. 이와 같은 문제점을 극복하기위해, DLL형태의 클럭 생성 회로를 제안함으로써, 두배 빠른 클럭에 대한 필요성을 제거함과 동시에 timing에 대한 문제를 회로 자체적으로 실시간 보정이 가능하도록 하여, 시스템의 부담을 줄일수 있도록 하였다. 또한, 깨끗한 샘플링 클럭 생성을 위해 하나의 gate만을 이용하여 시스템에서 가장 깨끗한 외부 클럭에 동기를 맞춰 샘플링 클럭을 생성함으로써 jitter가 누적되는 효과를 최소화 하여 jitter로 인한 ADC의 성능 저하 문제를 줄이고자 하였다...