AD 변환기 연재 2편 — ADC의 아키텍처와 동작 원리

AD 변환기 연재 2편 — ADC의 아키텍처와 동작 원리

부제: SAR, Pipeline, Flash, Sigma-Delta ADC는 왜 서로 다르게 만들어질까?

이번 편에서 다룰 내용

1편에서는 Sampling, Quantization, Resolution, SNR, ENOB, Single-Ended/Differential 입력 같은 ADC의 공통 기초 개념을 살펴보았습니다. 2편에서는 ADC 내부 구조로 들어갑니다. 같은 12-bit ADC라도 어떤 제품은 수십 kSPS이고, 어떤 제품은 수십~수백 MSPS이며, 또 어떤 제품은 매우 높은 분해능을 가지는 이유가 바로 내부 Architecture의 차이 때문입니다.

대표적인 ADC 구조는 크게 SAR, Pipeline, Flash, Sigma-Delta로 나눌 수 있습니다. 각 방식은 속도, 분해능, 전력, 지연시간, 입력 대역폭, 구현 복잡도에서 서로 다른 장단점을 가집니다. 따라서 ADC 선정은 단순히 “비트 수가 높은 제품” 또는 “MSPS가 높은 제품”을 고르는 문제가 아니라, 측정 대상 신호의 성격과 시스템 구조에 맞추어 Architecture를 선택하는 문제입니다.

1. SAR ADC — 가장 범용적인 구조

SAR는 Successive Approximation Register의 약자입니다. 이름 그대로 입력전압을 한 번에 모두 결정하지 않고, 가장 큰 비트부터 하나씩 비교하면서 최종 디지털 코드를 찾아갑니다.

SAR ADC 내부에는 일반적으로 다음 블록이 존재합니다.

• Sample & Hold 회로
• Comparator
• 내부 DAC
• SAR Logic

동작을 12-bit ADC라고 생각하면 이해하기 쉽습니다. 먼저 MSB를 1로 가정하고 내부 DAC가 해당 전압을 만듭니다. 입력전압이 그보다 높으면 MSB를 유지하고, 낮으면 0으로 되돌립니다. 다음 비트에서도 같은 비교를 반복합니다. 이런 이진 탐색을 N번 수행하면 N-bit 결과가 완성됩니다.

SAR의 핵심: 한 번의 변환에서 비트를 순차적으로 결정하는 구조이므로, 높은 분해능과 비교적 낮은 전력을 균형 있게 얻기 좋습니다.

SAR ADC는 수십 kSPS에서 수 MSPS, 일부 고속 제품에서는 수십 MSPS까지 사용됩니다. 센서 계측, 모터 전류 측정, 산업용 I/O, MCU 내장 ADC, 정밀 데이터 수집 시스템 등에서 매우 널리 사용됩니다.

장점은 낮은 전력, 비교적 간단한 구조, 좋은 DC 정확도, 낮은 Latency입니다. 단점은 초고속 영역에서 Pipeline이나 Flash보다 불리하다는 점입니다.

2. Pipeline ADC — 고속 센서와 영상 처리의 중심

Pipeline ADC는 이름처럼 여러 변환 Stage를 직렬로 연결하여 입력 신호를 단계적으로 처리합니다. 각 Stage는 입력 신호에서 일부 비트를 결정하고, 이미 결정한 성분을 빼낸 잔여 신호(Residue)를 증폭하여 다음 Stage로 전달합니다.

예를 들어 12-bit Pipeline ADC가 여러 Stage로 나뉘어 있다면 한 Stage가 전체 12-bit를 결정하는 것이 아니라, 몇 bit씩 나누어 처리합니다. 중요한 점은 여러 Stage가 동시에 서로 다른 Sample을 처리한다는 것입니다. 첫 번째 Sample이 3단계에 있을 때 두 번째 Sample은 2단계, 세 번째 Sample은 1단계에 있을 수 있습니다.

이 구조 때문에 초기 결과가 나오기까지는 몇 Clock의 지연이 있지만, 일단 Pipeline이 채워지면 매 Clock마다 새로운 결과를 출력할 수 있습니다.

Pipeline의 핵심: Latency는 존재하지만 연속적인 고속 변환 처리율(Throughput)이 매우 높습니다.

따라서 영상 센서, 통신 수신기, 초음파, 고속 계측, CCD/CMOS 데이터 취득처럼 수십~수백 MSPS가 필요한 영역에서 Pipeline 구조가 많이 사용됩니다.

우리가 앞서 검토했던 AD9226과 같은 고속 ADC 계열을 이해할 때 Pipeline 개념은 매우 중요합니다. FPGA는 ADC의 출력 데이터가 현재 입력 Sample과 정확히 몇 Clock 차이가 있는지 고려해 Timing을 구성해야 합니다.

Pipeline ADC의 또 다른 중요한 특징은 각 Stage의 Comparator Offset, Residue Gain Error 등을 보정하기 위해 Digital Correction을 사용하는 경우가 많다는 점입니다. 따라서 내부 구조는 SAR보다 복잡하지만, 높은 속도와 중·고분해능을 동시에 얻기 유리합니다.

3. Flash ADC — 가장 빠른 구조

Flash ADC는 ADC 구조 중 가장 직관적이고 가장 빠릅니다. 입력전압을 여러 기준전압과 동시에 비교하고, Comparator들의 결과를 Encoder가 디지털 코드로 변환합니다.

N-bit Flash ADC에는 이상적으로 약 2^N-1개의 Comparator가 필요합니다. 예를 들어 8-bit면 255개의 Comparator가 필요하고, 10-bit면 1023개가 필요합니다.

이 때문에 Flash 구조는 변환 속도는 매우 빠르지만, 비트 수가 증가할수록 전력소모와 칩 면적이 급격히 커집니다. 따라서 고분해능보다는 초고속 저분해능 분야에 적합합니다.

고속 Oscilloscope, Radar, 일부 RF/통신 시스템, 초고속 데이터 수집 등에서 Flash 또는 Flash의 개념을 활용한 Folding/Interpolating 구조가 사용됩니다.

Flash의 핵심: 모든 비교를 동시에 수행하므로 매우 빠르지만, Comparator 수가 폭발적으로 증가하므로 고분해능에는 불리합니다.

4. Sigma-Delta ADC — 높은 분해능과 저주파 정밀 측정

Sigma-Delta ADC는 앞의 세 구조와 사고방식이 상당히 다릅니다. 입력 신호를 매우 높은 속도로 Oversampling하고, Quantization Noise를 원하는 신호 대역 밖으로 밀어내는 Noise Shaping을 사용합니다. 그 후 Digital Filter와 Decimation을 거쳐 고분해능 결과를 만듭니다.

내부에는 Integrator, Quantizer, Feedback DAC 등이 포함되며 폐루프 형태로 동작합니다. 단순한 1-bit Quantizer를 매우 빠르게 동작시키는 구조도 흔합니다.

Sigma-Delta ADC의 대표적인 장점은 매우 높은 분해능과 우수한 저주파 Noise 성능입니다. 그래서 정밀 온도 측정, Load Cell, Strain Gauge, 정밀 계측기, Audio ADC, 전력 계측 등에 많이 사용됩니다.

다만 Digital Filter를 거치기 때문에 Latency가 상대적으로 크고, 고속의 넓은 대역 신호를 직접 처리하는 데에는 적합하지 않습니다.

Sigma-Delta의 핵심: 속도를 희생하는 대신 Oversampling과 Noise Shaping으로 높은 분해능과 우수한 Noise 성능을 얻습니다.

5. 네 가지 Architecture를 한눈에 비교하면

항목	SAR	Pipeline	Flash	Sigma-Delta
대표 속도	중저속~중고속	고속	초고속	저속~중속
대표 분해능	중~고분해능	중분해능~고분해능	저~중분해능	고~초고분해능
Latency	낮음	Pipeline 지연 존재	매우 낮음	필터 지연 큼
전력	낮음~중간	중간~높음	높음	낮음~중간
대표 용도	산업센서, MCU, 데이터수집	영상, 통신, 고속 계측	초고속 계측, Radar	정밀계측, 오디오, 저속 센서

6. 어떤 ADC 구조를 선택해야 할까?

ADC 선정은 신호의 세 가지 성격을 먼저 파악하는 것에서 시작합니다.

첫째, 신호가 얼마나 빠른가?
온도 센서는 수 Hz도 충분할 수 있지만, CCD Pixel Signal은 수 MHz 이상일 수 있습니다. RF 신호라면 수백 MHz 이상의 대역폭이 필요할 수 있습니다.

둘째, 몇 bit가 실제로 필요한가?
12-bit면 충분한 시스템에 24-bit Sigma-Delta ADC를 사용한다고 해서 전체 시스템 정확도가 자동으로 좋아지는 것은 아닙니다. Sensor Noise, Front-End Noise, Reference Error가 더 크다면 ADC 비트 수는 의미가 없습니다.

셋째, Latency가 중요한가?
Servo Control이나 Edge Detection처럼 즉각적인 반응이 필요한 시스템에서는 수십 ms의 Digital Filter Delay가 문제가 될 수 있습니다. 반대로 정밀 온도 계측에서는 수 ms 또는 수백 ms의 지연이 문제가 되지 않을 수 있습니다.

이를 단순화하면 다음과 같이 볼 수 있습니다.

• 정밀 저속 측정: Sigma-Delta
• 일반 산업용 계측: SAR
• 고속 영상·센서: Pipeline
• 초고속 저분해능: Flash

7. CCD / Linear Sensor에는 어떤 ADC가 어울릴까?

CCD Linear Image Sensor는 일반적인 온도센서와 성격이 크게 다릅니다. Pixel Clock에 동기된 Analog Signal을 빠르게 읽어야 하고, 한 Pixel의 유효 신호가 정해진 짧은 시간 안에 안정화되어야 합니다.

예를 들어 TCD1209를 수 MHz~20 MHz 수준에서 구동하는 시스템이라면 ADC는 단순히 분해능만 높으면 되는 것이 아니라 충분한 Sampling Rate, Analog Input Bandwidth, Driver Settling 특성이 필요합니다.

이런 경우 Pipeline ADC가 매력적인 이유는 높은 Throughput입니다. 센서 신호가 계속 들어와도 Pipeline 내부에서 연속 처리할 수 있기 때문에 FPGA와 연결한 Streaming 구조에 잘 맞습니다.

반대로 Pixel Rate가 느리고 정밀도가 더 중요한 센서라면 SAR ADC도 충분히 사용할 수 있습니다. 따라서 “CCD이므로 무조건 Pipeline”은 아니며, 실제 Pixel Clock과 유효 Sampling Window를 기준으로 판단해야 합니다.

8. 실무에서 자주 하는 ADC 선택 실수

1) Sampling Rate만 보고 선택
65 MSPS ADC라고 해도 입력 드라이버가 충분히 빨리 Settling하지 못하면 실제 신호는 정확하게 변환되지 않습니다.

2) Bit 수만 보고 선택
16-bit ADC를 사용해도 시스템 Noise가 12-bit 수준이면 실제 유효 분해능은 올라가지 않습니다.

3) Architecture별 Latency를 무시
Pipeline과 Sigma-Delta는 구조적으로 지연이 발생합니다. Control Loop에서는 반드시 확인해야 합니다.

4) Digital Interface를 마지막에 고려
ADC 출력이 Parallel CMOS인지, LVDS인지, JESD204인지에 따라 FPGA Pin 수와 PCB 난이도가 크게 달라집니다.

5) Reference와 Input Driver를 부품 선정 후에 검토
실제 ADC 성능은 Reference, Common Mode, Input Network, Clock 품질에 크게 좌우됩니다. ADC 선정과 동시에 Signal Chain 전체를 설계해야 합니다.

9. 설계자가 기억해야 할 핵심 문장

SAR: 균형이 좋고 범용적이다.

Pipeline: 높은 Throughput이 필요한 고속 시스템에 강하다.

Flash: 속도가 최우선일 때 선택한다.

Sigma-Delta: 속도보다 분해능과 Noise 성능이 중요할 때 강하다.

10. 2편 핵심 정리

• ADC Architecture는 속도와 분해능의 Trade-off를 결정한다.
• SAR ADC는 범용 산업 계측에 적합하다.
• Pipeline ADC는 고속 영상·센서 및 통신 분야에 적합하다.
• Flash ADC는 가장 빠르지만 Comparator 수와 전력 문제로 고분해능에는 불리하다.
• Sigma-Delta ADC는 Oversampling과 Noise Shaping으로 고분해능을 얻는다.
• ADC 선택 시 Resolution, Sampling Rate뿐 아니라 Latency, 입력 대역폭, Power, Interface까지 함께 봐야 한다.

다음 편 예고 — 3편

ADC 입력 인터페이스 설계: Single-Ended, Differential, Common-Mode, Level Shift

다음 편에서는 실제 회로 설계로 들어갑니다. 센서 출력이 1~5 V인데 ADC는 ±1 V Differential 입력을 요구할 때 어떻게 연결해야 하는지, VOCM과 CML은 무엇인지, DC Offset을 어떻게 제거하고 Gain을 어떻게 설정해야 하는지, Op Amp와 Fully Differential Amplifier를 어떻게 사용하는지를 실제 회로 중심으로 정리하겠습니다.

 

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