축차비교형 ADC (Successive Approximation Register ADC)

한 줄 정의: 입력 전압을 이진 탐색과 같은 방식으로 한 비트씩 좁혀 나가며 디지털 값으로 변환하는 아날로그디지털 변환기 구조입니다.

쉽게 풀면

숫자 맞추기 게임에서 1부터 100 사이의 숫자를 맞힐 때, 무작정 하나씩 세지 않고 절반씩 범위를 좁혀가며 "이 숫자보다 큰가요, 작은가요"를 반복해서 물어보는 방식을 떠올리면 됩니다. 축차비교형 ADC는 입력 전압에 대해 이와 비슷하게, 먼저 전체 범위의 절반에 해당하는 기준 전압과 비교해 더 큰지 작은지를 판단하고, 그 결과에 따라 다음 비교 범위를 절반으로 좁혀 나가는 과정을 정해진 비트 수만큼 반복합니다. 이 반복이 끝나면 그동안의 비교 결과들이 모여 하나의 디지털 값이 완성됩니다.

왜 중요한가

축차비교형 ADC는 구조가 비교적 단순하면서도 전력 소비가 적고 중간 정도의 속도와 해상도를 낼 수 있어, 센서 인터페이스나 배터리로 동작하는 저전력 시스템에서 널리 채택되는 변환기 구조로 회로 연구에서 자주 다루어집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"제안된 축차비교형 ADC는 커패시터 배열 기반의 디지털아날로그 변환기를 사용하여 면적을 절감하였다."

비교 기준 전압을 만드는 데 커패시터를 여러 개 배열해 쓰는 구조를 채택했다는 뜻입니다.

"본 저전력 센서 시스템은 축차비교형 ADC에 전력 게이팅을 적용하여 대기 상태의 소비 전력을 낮추었다."

변환기가 동작하지 않는 시간 동안 전원을 차단해 전력을 아꼈다는 의미입니다.

조금 더 깊게 보면

축차비교형 ADC는 일반적으로 비교기, 디지털아날로그 변환기, 그리고 비교 결과를 저장하고 다음 비교 기준을 정하는 축차비교 레지스터로 구성됩니다. 해상도가 N비트인 경우 대체로 N번의 비교 단계를 거쳐야 하나의 변환이 완료되며, 이 때문에 파이프라인 구조에 비해 처리 속도는 낮은 편이지만 회로가 단순하고 전력 효율이 좋다는 특징이 있습니다.

주의할 점

변환 한 번에 필요한 비교 횟수가 해상도에 비례해 늘어나므로, 매우 높은 해상도나 매우 빠른 속도가 동시에 필요한 응용에는 다른 구조가 더 적합할 수 있습니다.