캐스캐이드 비교기 및 그 제어방법 document_id A220623036232

비교기(comparator)란 입력신호와 기준신호를 비교하여 그 결과를 출력하는 소자를 말하며, 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(analog-to-digital convertor, ADC)에서 다수 사용되고 있다. 예컨대, 샘플링된 아날로그 전압을 기준 전압과 비교하여 샘플링된 전압이 기준 전압보다 큰 경우 1을 출력하고 그 반대인 경우에는 0을 출력하는 방식으로 아날로그/디지털 변환기에 활용하는 것이 가능하다. 한편, 아날로그/디지털 변환기(ADC)로는 병렬 비교형, 축차 비교형, 단순 계수형, 적분형 등 다양한 종류가 있는데, 이중 변환데이터의 양은 적지만 상대적으로 고속동작이 가능한 병렬 비교형 아날로그/디지털 변환기(flash ADC)가 최근 많이 사용된다. 이러한 병렬 비교형은 아날로그 입력 신호를 여러 개의 저항 래더(ladder)로 분압한 기준 전압과 비교하는 방식으로 아날로그/디지털 변환을 수행한다. 변환하고자 하는 비트 수에 따라 일단(one stage)으로 구성된 비교기만을 사용하는 것도 가능하지만, 일단의 비교기만 사용하게 되면, 샘플링 클럭(sampling clock) 주기가 매우 짧은 경우 전체 시스템의 BER(bit error rate)이 높아지는 문제점이 있다. 따라서, 다단(multi stage)으로 구성된 캐스캐이드 비교기(cascade comparator)를 사용하는 것이 통상적이다. 여기서 캐스캐이드 접속이란 4 단자망의 출력 단자를 다음 4 단자망의 입력 단자에 접속하는 식으로 차례로 연결하는 다단 증폭 방식을 말한다. 이렇게 다수의 비교기를 캐스캐이드 연결하면 신호의 재생 이득(regeneration gain)을 키우고 준안정(meta-stable) 상태에 빠질 확률을 줄일 수 있다. 이때, 다수의 비교기가 캐스캐이딩(cascading)되는 경우, 전단의 출력을 일정하게 유지시켜 후단 입력으로 전달할 필요가 있다. 왜냐하면 다단 비교기의 경우 동작 클럭의 위상에 따라 각 단의 동작이 순차적으로 이루어지므로 후단의 동작이 이루어질 때 전단은 리셋상태로 들어가기 때문이다. 이렇게 전단 출력이 리셋상태로 들어가게 되면 후단 입력도 리셋상태가 되면서 입력 전압이 변하기 때문에 다수의 비교기를 거친 후에는 출력 데이터의 확실성을 보장할 수 없다. 이러한 현상을 방지하기 위해 다단 비교기 사이에 홀드 스위치를 삽입하여 신호를 홀딩(holding)하는 방식이 일반적으로 사용된다. 이 원리는 전단이 동작하는 동안 홀드 스위치도 함께 켜지면서 전단의 출력 전압이 홀드 스위치를 통해 후단의 입력 기생 커패시턴스(capacitance)에 충전되었다가, 후단이 동작할 때 홀드 스위치가 꺼지면 이 기생 커패시턴스에 저장된 입력 전압에 의해 후단이 동작함으로써, 전단의 출력이 리셋되더라도 후단의 입력에 영향을 주지 않으면서 안정된 캐스캐이딩 동작을 할 수 있게 하는 방법이다. 다시 말해, 여러 개의 비교기가 캐스캐이딩(cascading)되면 이전 단의 출력을 샘플링 시점의 값으로 유지할 필요가 있으므로 이를 저장하기 위해 비교기 사이에 홀드 스위치를 삽입하여 앞 단의 출력변화에 관계없이 입력을 유지시키도록 구성되는 것이다. 그러나, 비교기 사이에 홀드 스위치는 전체 회로의 면적을 불필요하게 증가시키는 문제점이 있다. 면적이 증가 되면 기생성분도 증가하기 때문에 고속으로 동작하는 회로(예컨대, 고속 ADC 등)에는 소모전력을 증대시킬 수 있고, 홀드 스위치로 인해 발생하는 글리치(glitch)는 선형 동작을 방해하기 때문에 전체 시스템의 성능을 떨어뜨릴 수 있다.