KR100835683B1 - Analog-to-digital converters using digitally controlled comparators, including pacemakers, analog-to-digital converters using digitally controlled comparators - Google Patents
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Abstract
디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치, 이를 포함하는 심박 조율 장치, 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 방법이 개시된다.An analog-to-digital converter using a digitally controlled comparator, a pacemaker including the same, and an analog-to-digital conversion method using a digitally controlled comparator are disclosed.
본 발명은 입력 전압의 입력 구간을 균등하게 분할하는 각 전압 구간을 위해 설계되고, 상기 전압 구간마다 다른 기준 전압과 상기 입력 전압을 비교하여 최상위 비트부터 순차적으로 비트값을 생성하는 복수의 디지털 제어 비교기, 상기 생성된 비트값에 따라 상기 복수의 디지털 제어 비교기에 인가되는 기준 전압을 생성하는 디지털 아날로그 변환기 및 상기 복수의 디지털 제어 비교기 중에서 상기 생성된 비트값에 따라 인접한 비트의 비트값을 생성하기 위한 비교기를 선택하여 온 시키면서 바이너리 서치를 수행하는 축차 근사 논리회로를 포함한다.The present invention is designed for each voltage section that evenly divides the input section of the input voltage, a plurality of digital control comparator for generating a bit value sequentially from the most significant bit by comparing the input voltage and the other reference voltage for each voltage section A digital analog converter for generating a reference voltage applied to the plurality of digital control comparators according to the generated bit value, and a comparator for generating bit values of adjacent bits according to the generated bit value among the plurality of digital control comparators. Select and turn on to include the approximation logic circuit to perform binary search.
본 발명에 의하면, 비트 단위마다 적절한 디지털 제어 변환기를 선택하여 동작시킴으로써, 신뢰도를 유지하면서 저전력 소모를 구현할 수 있고, 저전력 구현을 위해 부가적인 회로를 필요로 하지 않는다.According to the present invention, by selecting and operating an appropriate digital control converter for each bit unit, low power consumption can be realized while maintaining reliability, and no additional circuit is required for low power implementation.
Description
도 1a는 본 발명이 적용되는 축차 근사 논리회로 방식의 아날로그 디지털 변환기 장치의 블럭도이다.1A is a block diagram of an analog-to-digital converter device of a sequential approximation logic circuit to which the present invention is applied.
도 1b 및 도 1c는 본 발명이 적용되는 바이너리 서치 알고리즘의 일 예를 도시한 것이다.1B and 1C illustrate an example of a binary search algorithm to which the present invention is applied.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명이 적용되는 아날로그 디지털 변환 장치의 입력단의 일 예를 도시한 것이다.2A to 2C illustrate an example of an input terminal of an analog-to-digital converter to which the present invention is applied.
도 3a는 본 발명이 적용되는 축차 근사 논리회로 방식의 아날로그 디지털 변환기 장치의 알고리즘의 흐름도이다.3A is a flowchart of an algorithm of an analog-to-digital converter device of a sequential approximation logic circuit to which the present invention is applied.
도 3b는 도 3a의 알고리즘을 적용한 일 예를 도시한 것이다.3B illustrates an example in which the algorithm of FIG. 3A is applied.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치의 블럭도이다.4 is a block diagram of an analog-to-digital converter using a digitally controlled comparator according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로 그 디지털 변환 장치의 블럭도이다.5 is a block diagram of an analog digital conversion apparatus using a digitally controlled comparator according to another embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치를 포함하는 심박 조율 장치의 블럭도이다.6 is a block diagram of a pacemaker including an analog-to-digital converter using a digitally controlled comparator according to another embodiment of the present invention.
도 7은 도 4 내지 도 6에 적용되는 비교기의 일 예를 도시한 것이다.FIG. 7 illustrates an example of a comparator applied to FIGS. 4 to 6.
도 8a는 도 7에 도시된 비교기의 회로도이다.8A is a circuit diagram of the comparator shown in FIG. 7.
도 8b는 도 8a의 Vactive 단에 인가되는 신호의 일 예를 도시한 것이다.FIG. 8B illustrates an example of a signal applied to the Vactive terminal of FIG. 8A.
본 발명은 아날로그 디지털 변환기에 관한 것으로, 특히, 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치, 이를 포함하는 심박 조율 장치, 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an analog-to-digital converter, and more particularly, to an analog-to-digital converter using a digital control comparator, a pacemaker including the same, and an analog-to-digital conversion method using a digital-controlled comparator.
배터리로 동작하는 시스템에 있어서 일정한 전력을 가지고 오랜 시간동안 동작하는 것이 이슈이다. 소비 전력은 전압에 비례하므로 이에 따라 공급 전압이 점점 낮아지는 추세이다. 초저전압으로 전원을 공급할 때, 아날로그 회로에서의 노이즈 마진은 파워 서플라이와 함께 감소되지 않는다. 따라서 공급전원이 줄어듦에 따라서 입력 전압의 범위는 상대적으로 증가한다. 이 때문에 입력이 Vdd에서 Vss로, 즉 다시 말해서 레일 투 레일(rail-to-rail)로 스윙하게 된다.In battery-powered systems, the issue is to operate for a long time with constant power. Since power consumption is proportional to voltage, the supply voltage is gradually decreasing. When powered at very low voltages, the noise margin in the analog circuit is not reduced with the power supply. Therefore, as the power supply decreases, the range of the input voltage increases relatively. This causes the input to swing from Vdd to Vss, that is to say rail-to-rail.
디지털 회로에서는 공급 전압이 낮아지면 문턱 전압도 같이 낮아지므로 별 영향을 받지 않으나, 아날로그 회로에서는 바이어스 단에서의 일정한 바이어스 전 압의 확보가 중요하므로 낮은 공급 전압을 보완하기 위하여 특별한 기술이 필요하다. 이에 따라, 현재 부트 스트래핑(bootstrapping) 기법, 로우 스레쉬홀드(low-threshold) 기법 등이 사용되고 있으나 이들은 모두 부가적인 회로 또는 부가적인 소자를 사용하므로 실제 저전력 구현과는 거리가 멀다.In digital circuits, when the supply voltage is lowered, the threshold voltage is also lowered. Therefore, in analog circuits, it is important to secure a constant bias voltage at the bias stage. Therefore, a special technique is required to compensate for the low supply voltage. Accordingly, bootstrapping techniques and low-threshold techniques are currently used, but they all use additional circuits or additional devices, which are far from actual low power implementations.
특히, 저전압용 회로에서 사용되는 부트 스트래핑(bootstrapping) 기법은 MOSFET의 게이트(gate)에 걸리는 바이어스 전압을 부가적인 회로를 써서 걸릴 수 있는 전압보다 더 증가시키는 기법이다. 현재 저전압 기법으로 가장 많이 상용화 되었으나, 이는 소자의 크기가 줄어듦에 따라서 함께 줄어드는 옥사이드 커패시턴스(oxide capacitance)에 견딜 수 있는 전압보다 더 큰 전압이 걸려 옥사이드 브레이크 다운(oxide breakdown)이 일어날 수도 있다는 신뢰도(reliability)에 관한 단점이 있다. In particular, the bootstrapping technique used in low voltage circuits is a technique that increases the bias voltage applied to the gate of the MOSFET more than the voltage that can be applied using an additional circuit. It is currently most commonly used as a low voltage technique, but it is more reliable than the voltage that can withstand the reduced oxide capacitance as the size of the device decreases, leading to oxide breakdown. ) Has a disadvantage.
바이어스 단에 사용되는 MOSFET의 문턱전압을 낮추기 위하여, 두꺼운 옥사이드(thick oxide)를 가진 MOSFET을 사용하기도 하나, 얇은 옥사이드(thin oxide) MOSFET의 문턱전압보다 불과 200mV정도밖에 작지 않기 때문에 1V미만의 저전압에서 동작하는 회로에서는 사용하기 어렵다. In order to lower the threshold voltage of the MOSFET used in the bias stage, a MOSFET having a thick oxide may be used, but at a low voltage of less than 1V since it is only 200 mV smaller than the threshold voltage of a thin oxide MOSFET. It is difficult to use in a working circuit.
따라서, 종래의 아날로그 디지털 변환 장치는 신뢰도를 유지하면서 저전력 소모를 구현할 수 없고, 저전력 구현을 위해 부가적인 회로를 필요로 하여 전체적인 전력 소모를 낮추기가 용이하지 않은 문제점이 있다.Therefore, the conventional analog-to-digital converter does not implement low power consumption while maintaining reliability, and there is a problem that it is not easy to lower the overall power consumption by requiring additional circuitry for low power implementation.
본 발명이 이루고자 하는 첫번째 기술적 과제는 신뢰도를 유지하면서 저전력 소모를 구현할 수 있고, 저전력 구현을 위해 부가적인 회로를 필요로 하지 않는 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치를 제공하는데 있다.The first technical problem to be achieved by the present invention is to provide an analog-to-digital converter using a digital control comparator that can implement low power consumption while maintaining reliability, and does not require additional circuitry for low power implementation.
본 발명이 이루고자 하는 두번째 기술적 과제는 상기의 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치를 포함하는 심박 조율 장치를 제공하는데 있다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a pacemaker comprising an analog-to-digital converter using the digital control comparator described above.
본 발명이 이루고자 하는 세번째 기술적 과제는 상기의 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치에 적용된 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 방법을 제공하는데 있다.The third technical problem to be achieved by the present invention is to provide an analog-to-digital conversion method using a digital control comparator applied to the analog-to-digital conversion device using the digital control comparator.
상기의 첫번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 입력 전압의 입력 구간을 균등하게 분할하는 각 전압 구간을 위해 설계되고, 상기 전압 구간마다 다른 기준 전압과 상기 입력 전압을 비교하여 최상위 비트부터 순차적으로 비트값을 생성하는 복수의 디지털 제어 비교기, 상기 생성된 비트값에 따라 상기 복수의 디지털 제어 비교기에 인가되는 기준 전압을 생성하는 디지털 아날로그 변환기 및 상기 복수의 디지털 제어 비교기 중에서 상기 생성된 비트값에 따라 인접한 비트의 비트값을 생성하기 위한 비교기를 선택하여 온 시키면서 바이너리 서치를 수행하는 축차 근사 논리회로를 포함하는 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치를 제공한다.In order to achieve the above first technical problem, the present invention is designed for each voltage section that evenly divides the input section of the input voltage, and compares the reference voltage and the input voltage different for each voltage section sequentially from the most significant bit A plurality of digital control comparators for generating a value, a digital analog converter for generating a reference voltage applied to the plurality of digital control comparators in accordance with the generated bit values, and a plurality of digital control comparators adjacent in accordance with the generated bit values. The present invention provides an analog-to-digital converter using a digitally controlled comparator including a sequential approximation logic circuit that performs binary search while selecting and turning on a comparator for generating a bit value of a bit.
또한, 상기의 첫번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 입력 전압의 입력 구간을 균등하게 분할하는 각 전압 구간을 위해 설계되고, 상기 전압 구간마 다 다른 기준 전압과 상기 입력 전압을 비교하여 최상위 비트부터 순차적으로 비트값을 생성하는 복수의 디지털 제어 비교기, 상기 생성된 비트값에 따라 상기 복수의 디지털 제어 비교기에 인가되는 기준 전압을 생성하는 디지털 아날로그 변환기 및 최상위 비트의 비트값이 1이고 나머지 비트의 비트값은 0인 입력 값을 상기 디지털 아날로그 변환기의 초기 입력 값으로 설정하고, 상기 복수의 디지털 제어 비교기 중에서 상기 생성된 비트값에 따라 인접한 비트의 비트값을 생성하기 위한 비교기를 선택하여 온 시키면서 바이너리 서치를 수행하는 축차 근사 논리회로를 포함하는 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치를 제공한다.In addition, in order to achieve the first technical problem, the present invention is designed for each voltage section that evenly divides the input section of the input voltage, and compares the reference voltage and the input voltage for each voltage section from the most significant bit A plurality of digital control comparators for generating bit values sequentially, a digital analog converter for generating a reference voltage applied to the plurality of digital control comparators according to the generated bit values, and a bit value of the most significant bit is 1 and bits of the remaining bits Binary search while setting an input value of 0 as an initial input value of the digital-to-analog converter and selecting and turning on a comparator for generating bit values of adjacent bits according to the generated bit values among the plurality of digital control comparators. Digital control, including successive approximation logic circuit to perform the It provides an analog-to-digital conversion apparatus using a Gyoki.
상기의 두번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 아날로그 디지털 변환기를 포함하는 심박 조율 장치에 있어서, 심장 박동을 아날로그 입력 신호로 변환하는 센서부, 상기 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환부, 소정의 주기로 기준 클럭을 생성하는 스톱 워치 및 상기 디지털 신호 및 상기 기준 클럭에 따라 전기 자극을 출력하는 전기 충격부를 포함하고, 상기 아날로그 디지털 변환부는 입력 전압의 입력 구간을 균등하게 분할하는 각 전압 구간을 위해 설계되고, 상기 전압 구간마다 다른 기준 전압과 상기 입력 전압을 비교하여 최상위 비트부터 순차적으로 비트값을 생성하는 복수의 디지털 제어 비교기, 상기 생성된 비트값에 따라 상기 복수의 디지털 제어 비교기에 인가되는 기준 전압을 생성하는 디지털 아날로그 변환기 및 상기 복수의 디지털 제어 비교기 중에서 상기 생성된 비트값에 따라 인접한 비트의 비트값을 생성하기 위한 비교기를 선택하여 온 시키면서 바이너리 서치를 수행하는 축차 근사 논리회로를 포함하는 포함하는 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치를 포함하는 심박 조율 장치를 제공한다.In order to achieve the second technical problem, the present invention is a heart pacemaker comprising an analog to digital converter, the sensor unit for converting the heart rate into an analog input signal, the analog to digital conversion unit for converting the analog input signal into a digital signal And a stop watch for generating a reference clock at a predetermined cycle, and an electric shock unit for outputting an electrical stimulus according to the digital signal and the reference clock, wherein the analog-to-digital converter unit equally divides an input section of an input voltage. Designed for the purpose, a plurality of digital control comparator for generating a bit value sequentially from the most significant bit by comparing the reference voltage and the input voltage for each of the voltage interval, applied to the plurality of digital control comparator according to the generated bit value Digitally generated reference voltage A digital control comparator including a sequential approximation logic circuit for performing binary search while selecting and turning on a comparator for generating bit values of adjacent bits according to the generated bit value among analog converters and the plurality of digital control comparators; It provides a heart pacemaker comprising an analog-to-digital converter.
상기의 세번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명은 입력 전압의 입력 구간을 균등하게 분할하는 각 전압 구간을 위해 설계된 복수의 디지털 제어 비교기를 이용하여 상기 전압 구간마다 다른 기준 전압과 상기 입력 전압을 비교하여 최상위 비트부터 순차적으로 비트값을 생성하는 단계, 상기 생성된 비트값에 따라 상기 복수의 디지털 제어 비교기에 인가되는 기준 전압을 생성하는 단계, 상기 복수의 디지털 제어 비교기 중에서 상기 생성된 비트값에 따라 인접한 비트의 비트값을 생성하기 위한 비교기를 선택하여 온 시키면서 바이너리 서치를 수행하는 단계를 포함하는 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 방법을 제공한다.In order to achieve the third technical problem, the present invention uses a plurality of digital control comparator designed for each voltage section that evenly divides the input section of the input voltage by comparing the different reference voltage and the input voltage for each voltage section Generating bit values sequentially from the most significant bit, generating reference voltages applied to the plurality of digital control comparators according to the generated bit values, and adjacent to the generated bit values among the plurality of digital control comparators. An analog-to-digital conversion method using a digitally controlled comparator including performing a binary search while selecting and turning on a comparator for generating a bit value of a bit is provided.
본 발명은 아날로그-디지털 변환 장치 즉, 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 장치에 관한 것으로, 특히 축차 근사 논리회로(Successive Approximation Resister, SAR) 방식의 아날로그-디지털 변환 장치에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
아날로그-디지털 변환 장치는 아날로그 형태의 입력 신호를 내부의 세분화된 기준 전압과 비교하여 이를 디지털 값으로 변환시킨다. 축차 근사 논리회로(SAR) 방식의 아날로그-디지털 변환 장치는 바이너리 서치 방법(binary search method)를 통하여 최상위 비트(MSB)부터 최하위 비트(LSB)까지 정한다.The analog-to-digital converter converts an analog signal into a digital value by comparing it with internally divided reference voltages. The SAR analog-to-digital converter sets the most significant bit (MSB) to the least significant bit (LSB) through a binary search method.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described a preferred embodiment of the present invention. However, embodiments of the present invention illustrated below may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
도 1a는 본 발명이 적용되는 축차 근사 논리회로 방식의 아날로그 디지털 변환기 장치의 블럭도이다.1A is a block diagram of an analog-to-digital converter device of a sequential approximation logic circuit to which the present invention is applied.
도 1a에 도시된 바와 같이, 축차 근사 논리회로(SAR) 방식의 아날로그-디지털 변환기는 비교기(110), 디지털 아날로그 변환기(Digital to Analog Converter, DAC, 120), 축차 근사 논리회로(130)를 포함한다.As shown in FIG. 1A, the analog-to-digital converter of the SAR method includes a
디지털 아날로그 변환기(120)는 아날로그 입력 신호(Vin)를 디지털 신호로 변환시키는 기준값이 되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 비교기(110)는 아날로그 입력 신호와 디지털 아날로그 변환기(120)로부터 출력되는 기준 아날로그 신호를 비교하여 비교 결과를 출력한다. 축차 근사 논리회로(130)는 SAR 레지스터를 포함하여 비교기(110)로부터 출력되는 비교 결과에 응답하여 기준값이 되는 디지털 신호를 제어하는 SAR 제어 로직으로 구성된다.The
도 1b 및 도 1c는 본 발명이 적용되는 바이너리 서치 알고리즘의 일 예를 도시한 것이다.1B and 1C illustrate an example of a binary search algorithm to which the present invention is applied.
도 1b의 예는 8비트의 아날로그 디지털 컨버터 및 아날로그 입력이 7.09 V 인 경우를 보여준다. 이때, 최하위 비트는 39.22 mV를 나타낸다. 이때, SAR은 비교기의 출력이 TRUE 인지 FALSE 인지에 따라 두가의 출력 중 어느 하나를 출력한다. 비교기는 추정된 전류값이 입력값보다 작으면 HIGH를 출력하고, 추정된 전류값이 입력값보다 크면 LOW를 출력한다.The example of FIG. 1B shows an 8-bit analog-to-digital converter and a case where the analog input is 7.09 V. FIG. At this time, the least significant bit represents 39.22 mV. In this case, the SAR outputs one of two outputs according to whether the output of the comparator is TRUE or FALSE. The comparator outputs HIGH when the estimated current value is smaller than the input value, and outputs LOW when the estimated current value is greater than the input value.
즉, SAR은 다음과 같은 동작을 한다. 추정값이 너무 작으면, MSB-(n+1)에서 1을 빼고, 추정값이 너무 크면, MSB-(n+1)에서 1을 더한다. 이때, MSB는 최상위 비 트, n은 현재의 클럭 사이클을 의미한다.That is, the SAR operates as follows. If the estimate is too small, one is subtracted from MSB- (n + 1), and if the estimate is too large, one is added from MSB- (n + 1). At this time, MSB is the most significant bit, n is the current clock cycle.
도 1c는 도 1b에 따라, 8번째 사이클(n=7)까지 입력 전압을 추정하는 과정을 보여주는 표이다. 도 1c에서, 입력값에 대한 디지털 추정값이 180과 181 사이에 수렴함을 알 수 있다. FIG. 1C is a table illustrating a process of estimating an input voltage up to an eighth cycle (n = 7) according to FIG. 1B. In FIG. 1C, it can be seen that the digital estimate of the input value converges between 180 and 181.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명이 적용되는 아날로그 디지털 변환 장치의 입력단의 일 예를 도시한 것이다.2A to 2C illustrate an example of an input terminal of an analog-to-digital converter to which the present invention is applied.
N 비트 SAR 아날로그 디지털 변환 장치(ADC)는 아날로그 입력 신호를 받고 N비트의 디지털 코드에 따라 기준 전압을 분배하여 입력 신호와 비교하며, 그 비교 결과에 따라 입력 신호에 대응하는 N비트의 디지털 코드를 비트별로 순차적으로 판정하는 아날로그 디지털 변환 장치(ADC)이다.The N-bit SAR analog-to-digital converter (ADC) receives the analog input signal, distributes the reference voltage according to the N-bit digital code, compares it with the input signal, and compares the N-bit digital code corresponding to the input signal according to the comparison result. An analog-to-digital converter (ADC) that sequentially determines bit by bit.
비교기는 아날로그 회로이기 때문에 바이어스단의 게이트(gate) 전압 확보 문제로 공통 모드 입력 범위(common-mode input range)가 제한이 되어있다. 이 때문에 레일 투 레일 입력(rail-to-rail input)을 받기 위해서 다른 구조를 이용한다. Since the comparator is an analog circuit, the common-mode input range is limited due to the gate voltage securing problem of the bias stage. Because of this, other structures are used to receive rail-to-rail input.
도 2a와 도 2b의 N 타입 입력단(N input), P 타입 입력단(P input)의 입력단(input stage)를 합친 것이 도 2c의 레일 투 레일 OP 앰프(rail-to-rail operational amplifier)의 구조이다. 그러나 1V 이하의 초저전압 동작 전압에서는 부하(load) 단에서 MOSFET stack이 4개를 넘어가는 구조이므로 출력단(output) 에서의 전압 스윙과 각 부하(load) 단 MOSFET들의 충분한 오버드라이브(overdrive) 전압 확보가 용이하지 않다.The structure of the rail-to-rail operational amplifier of FIG. 2C is a combination of the N type input terminals (N input) and the input stages of the P type input terminals (P input) of FIGS. 2A and 2B. . However, at the ultra-low voltage operating voltage of 1V or less, since there are more than four MOSFET stacks in the load stage, the voltage swing at the output stage and sufficient overdrive voltage of each load MOSFETs are ensured. Is not easy.
도 3a는 본 발명이 적용되는 축차 근사 논리회로 방식의 아날로그 디지털 변환기 장치의 알고리즘의 흐름도이다.3A is a flowchart of an algorithm of an analog-to-digital converter device of a sequential approximation logic circuit to which the present invention is applied.
먼저, 입력 전압을 V로 샘플링하고, 변수 i를 1로 초기화한다(310 과정).First, the input voltage is sampled at V, and the variable i is initialized to 1 (step 310).
다음, 전압 V가 0 보다 크면(320 과정), 기준전압을 2^i로 나눈값을 V에서 차감하고, i번째 비트의 비트값을 1로 결정한다(331, 341 과정). 반대로, 전압 V가 0 보다 작거나 같으면(320 과정), 기준전압을 2^i로 나눈값을 V에 더하고, i번째 비트의 비트값을 0으로 결정한다(332, 342 과정).Next, if the voltage V is greater than 0 (step 320), the value obtained by dividing the reference voltage by 2 ^ i is subtracted from V, and the bit value of the i-th bit is determined as 1 (
다음, 변수 i를 1만큼 증가시킨다(350 과정).Next, the variable i is increased by 1 (350).
이때, 변수 i가 아날로그 디지털 변환 장치의 비트수인 n보다 크면, 모든 절차를 종료하고, 변수 i가 아날로그 디지털 변환 장치의 비트수인 n보다 작거나 같으면, 위의 과정(320-350 과정)을 반복한다.At this time, if the variable i is greater than n, which is the number of bits of the analog-to-digital converter, the procedure ends. If the variable i is less than or equal to n, which is the number of bits of the analog-to-digital converter, the above process (steps 320-350) is performed. Repeat.
도 3b는 도 3a의 알고리즘을 적용한 일 예를 도시한 것이다.3B illustrates an example in which the algorithm of FIG. 3A is applied.
여기서 볼 수 있듯이, 처음에 입력이(Vdd-Vss)/2의 값 (초기에 DAC의 입력값은 SAR 레지스터에 의하여 8bit의 경우 '10000000'로 셋팅)보다 큰 지 작은 지를 파악하여 더 크면 '1', 작으면 '0'을 출력한다. 다음에 이전 값이 '1'인 경우에는 윗 부분의 절반- 3(Vdd-Vss)/4에 해당하는 곳으로, '0'인 경우에는 아랫 부분의 절반- (Vdd-Vss)/4으로 찾아가 그 값과 다시 입력을 비교하여 순차적으로 최상위 비트(MSB) 부터 최하위 비트(LSB)까지 입력값의 바이너리 코드(binary code)를 정한다.As you can see, we first determine whether the input is greater than or less than (Vdd-Vss) / 2 (the initial value of the DAC is set to '10000000' for 8 bits by the SAR register). ', If it is small, output' 0 '. If the previous value is '1' then it goes to half 3 (Vdd-Vss) / 4 of the upper part, and if it is '0', it goes to half- (Vdd-Vss) / 4 of the lower part. The value is compared with the input again to sequentially determine the binary code of the input value from the most significant bit (MSB) to the least significant bit (LSB).
이 알고리즘을 이용하면 저전압이라서 레일 투 레일 입력(rail-to-rail input) 설계가 불가능하였던 비교기를 각 구간별로 나누어서 디지털로 제어하여 사용하는 것이 가능하여진다. 비교기의 입력 공통 모드(input common-mode) 구간을 Vdd부터 Vss까지 균등하게 나누어 각 구간에 맞게 설계된 비교기를 SAR 레지스터에서 순차적으로 나오는 값에 따라서 제어할 수 있다. By using this algorithm, it is possible to digitally control and use the comparator by dividing the comparator which was low voltage and it was impossible to design the rail-to-rail input. The comparator designed for each interval can be controlled by dividing the input common-mode interval of the comparator evenly from Vdd to Vss according to the values sequentially from the SAR register.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치의 블럭도이다.4 is a block diagram of an analog-to-digital converter using a digitally controlled comparator according to an embodiment of the present invention.
도 4에서는 전 입력구간을 네 등분하는 것을 예로 들고 있다. 이때, Vdd가 1.5V이고 Vss가 0V라고 가정하면, 각 네 개의 디지털 제어 비교기(411-414)는 상위부터 0.375V씩의 입력 공통 모드 범위(input common-mode range)를 갖게 되고 기준 전압이 순차적으로 바뀜에 따라 그에 알맞은 디지털 제어 비교기(411-414)가 선택된다. 디지털 제어 비교기(411-414)의 기준 전압은 제일 처음 DAC의 output이 '10000000' (8bit의 경우)로 셋팅이 되어 (Vdd-Vss)/2에 해당하는 기준 전압을 생성한다. 이 때 MSB의 초기값은 1로, 그 하위비트는 0으로 고정이 되어 있으므로 도 4에서 볼 수 있듯이 상위 두 개의 비트값을 읽어와 처음에 '10' 디지털 제어 비교기(412)를 선택을 하여 입력값과 비교를 한다. 만약 입력값이 상위 두 비트가 '11'에 해당하는 값이라면 가장 상위 입력 공통 모드 범위(input common-mode range)를 가지고 있는 '11' 디지털 제어 비교기(411)를 선택하여 그 다음 하위 비트들을 비교하게 된다. 도 4에서는 축차 근사 논리회로(430)의 출력 중 상위 2비트를 이용하여 디지털 제어 비교기(411-414)를 선택한다.In FIG. 4, the four input sections are divided into four parts. In this case, assuming that Vdd is 1.5V and Vss is 0V, each of the four digital control comparators 411-414 has an input common-mode range of 0.375V from the top and the reference voltage is sequentially As appropriate, the digital control comparators 411-414 are selected accordingly. The reference voltage of the digital control comparator (411-414) is first set to '10000000' (8-bit) of the DAC output to generate a reference voltage corresponding to (Vdd-Vss) / 2. At this time, since the initial value of the MSB is fixed to 1 and the lower bit is fixed to 0, as shown in FIG. 4, the upper two bit values are read and the '10'
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로 그 디지털 변환 장치의 블럭도이다.5 is a block diagram of an analog digital conversion apparatus using a digitally controlled comparator according to another embodiment of the present invention.
복수의 디지털 제어 비교기(511-519)는 입력 전압의 입력 구간을 균등하게 분할하는 각 전압 구간을 위해 설계되고, 전압 구간마다 다른 기준 전압과 입력 전압을 비교하여 최상위 비트부터 순차적으로 비트값을 생성한다.The plurality of digital control comparators 511-519 are designed for each voltage section that evenly divides the input section of the input voltage, and generate bit values sequentially from the most significant bit by comparing different reference voltages and input voltages for each voltage section. do.
바람직하게는, 복수의 디지털 제어 비교기(511-519)는 N 타입 입력단과 P 타입 입력단을 하나의 스테이지로 결합한 레일 투 레일 OP 앰프의 구조일 수 있다. 바람직하게는, 복수의 디지털 제어 비교기(511-519)는 축차 근사 논리 회로(530)에 의해 선택되지 않은 비교기는 오프되도록 설계될 수 있다. 바람직하게는, 복수의 디지털 제어 비교기(511-519)는 입력 전압을 양의 전압으로 제한할 수 있다. 바람직하게는, 복수의 디지털 제어 비교기(511-519)는 비교기와 정전류원 사이에 스위치를 구비하고, 축차 근사 논리 회로(530)의 비교기 선택 신호에 따라 스위치를 온 또는 오프시키도록 설계될 수 있다.Preferably, the plurality of digital control comparators 511-519 may have a structure of a rail-to-rail OP amplifier in which an N type input terminal and a P type input terminal are combined into one stage. Preferably, the plurality of digitally controlled comparators 511-519 may be designed to be off so that comparators not selected by the sequential
디지털 아날로그 변환기(520)는 생성된 비트값에 따라 복수의 디지털 제어 비교기에 인가되는 기준 전압을 생성한다. 이때, 디지털 아날로그 변환기(520)의 입력은 축차 근사 논리 회로(530)의 출력 중 적어도 일부를 포함한다.The digital-to-
축차 근사 논리회로(530)는 복수의 디지털 제어 비교기(511-519) 중에서 생성된 비트값에 따라 인접한 비트(다음 비트)의 비트값을 생성하기 위한 비교기를 선택하여 온 시키면서 바이너리 서치를 수행한다. 바람직하게는, 축차 근사 논리회로(530)는 복수의 디지털 제어 비교기(511-519) 중에서 최상위 2 비트의 비트값의 크기에 따라 비교기를 선택하도록 설계될 수 있다.The successive
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치를 포함하는 심박 조율 장치의 블럭도이다.6 is a block diagram of a pacemaker including an analog-to-digital converter using a digitally controlled comparator according to another embodiment of the present invention.
아날로그 디지털 변환부(610)는 본 발명에 따른 디지털 제어 비교기를 이용한 아날로그 디지털 변환 장치로서, 아날로그 입력 신호를 디지털 신호로 변환한다. 아날로그 디지털 변환부(610)의 출력 신호는 복수의 비트로 구성되어 병렬로 전송될 수 있다. 바람직하게는, 아날로그 디지털 변환부(610)의 아날로그 입력단은 심장 박동을 감지하는 센서부(600)에 연결될 수 있다.Analog-to-
스톱 워치(640)는 소정의 주기로 기준 클럭을 생성한다. 기준 클럭은 인간의 심장 박동 주기에 대한 기준을 제공하기 위한 클럭이다.The stop watch 640 generates a reference clock at predetermined periods. The reference clock is a clock to provide a reference for the human heartbeat cycle.
전기 충격부(650)는 아날로그 디지털 변환부(610)의 디지털 신호 및 스톱 워치(640)의 기준 클럭에 따라 전기 자극을 출력한다. 이때, 전기 자극은 심박 조율을 위한 전기 신호로서, 인체에 무해한 수준의 작은 전압 및 작은 전류를 갖는다.The
바람직하게는, 전기 충격부(650)는 아날로그 디지털 변환부(610)의 디지털 신호와 스톱 워치(640)의 기준 클럭을 비교하는 수단을 포함하고, 아날로그 디지털 변환부(610)의 디지털 신호의 주기가 스톱 워치(640)의 기준 클럭 보다 느려지는 경우 전기 자극을 출력하도록 구성할 수 있다.Preferably, the
도 7은 도 4 내지 도 6에 적용되는 비교기의 일 예를 도시한 것이다.FIG. 7 illustrates an example of a comparator applied to FIGS. 4 to 6.
도 7에서와 같이 저전력을 구현하기 위하여 각 비교기들은 비교하는 순간 이후에 오프되고 이를 위하여 정전류원 하단에 스위치를 달아 동작하지 않는 구간에서는 오프되도록 설계할 수 있다.As shown in FIG. 7, the comparators may be designed to be turned off after the moment of comparison and to be turned off in a non-operating section by switching a lower end of the constant current source.
도 8a는 도 7에 도시된 비교기의 회로도이다.8A is a circuit diagram of the comparator shown in FIG. 7.
도 8a에 도시된 비교기는 통상의 차등 증폭기와 유사한 구조이지만, 바이어스단(Vbias)과 저전력 구현용 스위치단(Vactive)를 구비한다. 즉, 축차 근사 논리 회로의 비교기 선택 신호에 따라 해당 비교기를 온시키는 경우에는 Vactive 단에 MOSFET의 스레쉬홀드 전압 이상의 전압이 인가되고, 축차 근사 논리 회로의 비교기 선택 신호에 따라 해당 비교기를 오프시키는 경우에는 Vactive 단에 MOSFET의 스레쉬홀드 전압 미만의 전압 또는 그라운드 전압이 인가되도록 설계할 수 있다.The comparator shown in FIG. 8A has a structure similar to a conventional differential amplifier, but has a bias stage Vbias and a switch stage Vactive for low power implementation. That is, when the comparator is turned on according to the comparator selection signal of the successive approximation logic circuit, when a voltage equal to or greater than the threshold voltage of the MOSFET is applied to the Vactive stage, and the comparator is turned off according to the comparator selection signal of the successive approximation logic circuit. The Vactive stage can be designed to apply a voltage or ground voltage below the threshold voltage of the MOSFET.
도 8b는 도 8a의 Vactive 단에 인가되는 신호의 일 예를 도시한 것이다. Vactive단에 인가되는 신호는 도 8b와 같이 주기적인 신호일 수 있다.FIG. 8B illustrates an example of a signal applied to the Vactive terminal of FIG. 8A. The signal applied to the Vactive terminal may be a periodic signal as shown in FIG. 8B.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary and will be understood by those of ordinary skill in the art that various modifications and variations can be made therefrom. However, such modifications should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 비트 단위마다 적절한 디지털 제어 변환기를 선택하여 동작시킴으로써, 신뢰도를 유지하면서 저전력 소모를 구현할 수 있고, 저전력 구현을 위해 부가적인 회로를 필요로 하지 않는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, by selecting and operating an appropriate digital control converter for each bit unit, low power consumption can be realized while maintaining reliability, and an additional circuit is not required for low power implementation.
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