연속 시간 고속 Δ-Σ A/D 컨버터 기반의 광대역 AFE

2015-05-02
연속 시간 Δ-Σ(Continuous Time Delta-Sigma, CTDS) ADC는 오디오 시스템, 무선 전화기, 무선 전자기기에 사용되는 아키텍처이다. 이 ADC 아키텍처는 효율적인 집적화, 신호 블럭의 최소화, 낮은 전력 소모 등 여러 가지 장점을 지닌다. 파이프라인 방식의 ADC와 같은 ADC의 경우 폭넓은 광대역 아날로그 입력 신호 변환 특성으로 인해 기지국과 중계기등 무선 통신 인프라 시스템에 주로 사용되는 반면에, CTDS ADC는 높은 동적 범위와 전력 효율성이 주요한 요구사항 일 때 뛰어난 성능을 보인다.

글. 가브리엘 망가나로(Gabriele Manganaro), 아나로그디바이스 

최근 아나로그디바이스에 도입된 기술 혁신들로 인해 CTDS ADC는 매우 높은 주파수대역에서 광대역 신호를 디지털화할 수 있다. 예전 저주파 어플리케이션에 주로 이용되었던 것과는 달리 ADI의 CTDS ADC 기술로 인해 기존의 한계를 극복하고 심지어는 광대역 제품에서도 시스템 수준의 성능을 구현할 수 있다. 

이 글에서는 이러한 최근 혁신적인 기술에 대해서 다루도록 하겠다. 특히, 통신과 계측 시스템에서 고주파 신호를 다운변환하고 디지털 변환하는 데 사용되는 광대역 CTDS 밴드패스 ADC 코어를 포함한 아날로그 프런트 엔드를 다룬다. 밴드패스를 내장한 ADC를 사용하면 이미지를 제거하기 위한 외부 안티 앨리어싱 필터(Anti-Aliasing Filter, AAF)와 구동 증폭기 그리고 버퍼를 사용할 필요가 없으므로 신호 체인의 부품 개수와 전력 소모를 크게 줄일 수 있으며, 전반적으로 여러가지 장점을 얻을 수 있다. 또한 온 칩 프로그래머블 디지털 필터와 다운 컨버터 기능이 통합되어 있어서 설계자가 완벽한 솔루션을 쉽게 사용할 수 있다. 

CTDS ADC 가 수년 간 고성능 오디오에서 휴대전화 RF 프런트 엔드에 이르는 다양한 어플리케이션에서 아날로그-디지털 아키텍처로 사용될 수 있었던 것은 다른 유형의 ADC보다 뛰어난 몇 가지 장점이 있었기 때문이었다. 쉬운 집적화와 낮은 전력 소비도 장점이겠지만 보다 더 중요한 장점은 CTDS ADC를 사용할 때 시스템 단위에서 발생한 많은 문제점들을 상당부분 해결할 수 있다는 것이다. 이전에는 여러 기술적인 단점 때문에 CTDS ADC가 상대적으로 낮은 주파수/대역폭, 낮은 동적 범위에 제한적으로 사용 되었으며, 지금까지는 고성능/고주파 디지털화 어플리케이션 솔루션에는 파이프라인 ADC나 연속근사 ADC(Successive Approximation ADC)와 같은 고성능 나이퀴스트 속도를 지원하는 ADC가 주로 사용 되었다.

그러나 최근 아나로그디바이스에 도입된 기술 혁신으로 많은 이전의 한계점을 극복할 수 있으며, CTDS 기반의 고속 ADC로 현격한 고성능의 사양과 강한 간섭원의 존재할 때에도 안정적인 성능을 발휘할 수 있으며, 그리고 프로그램에 의한 주파수 필터 특성을 변경할 수 있어서 휴대전화 인프라 시스템과 선택된 고성능 계측 어플리케이션에서 나타나는 여러 중요한 신호 처리 문제도 해결해줄 수 있다. 

고전적인 헤테로다인 수신기 신호 체인
이를 더 잘 이해하기 위해 고전적인 통신 시스템용 헤테로다인(heterodyne) 수신기의 신호 체인을 예로 들어 생각해 보자. 그림 1(a)는 메인 신호 패스에 스위치 커패시터, 나이퀴스트 속도를 지원하는 고속 ADC를 사용한 전통적인 방식을 보여준다. 여기에서, 믹서가 생성한 중간 주파수(IF) 신호는 버퍼나 신호 증폭기를 통과하게 된다. 나이퀴스트 ADC에는 이미지 신호를 제거하기 위한 AAF(Anti-Aliasing Filter)도 필요한데 이는 종종 SAW 필터나 LC 소자를 이용하여 필터를 구현한다. 이 과정을 거쳐 원하는무선 IF 신호는 ADC에 도달한다. AD변환된 출력은 IF의 중심 주파수 보다 상당히 높은 샘플링 주파수로 클로킹되며 ADC 뒷단의 디지털 ASIC에서 추가 신호 처리를 통하여 주파수 하향 변환하거나 기저대역(Baseband)로 변환된다.

동일한 신호 처리 블럭은 그림 1(b)에서 보듯이 CTDS 를 사용하면 상당히 간결해진다. CTDS 가 저항 입력(resistive input)을 가지므로 믹서에서 직접 구동이 가능해 구동 증폭기를 사용할 필요가 없다. 게다가 CTDS 의 내부 코어에는 CT 아날로그 필터가 포함되어 있어 내부적으로 AAF 기능을 수행하므로 입력 단에 SAW 또는 SMD 필터를사용할 필요가 없다.  더욱이 CTDS 는 통과 대역 필터 주파수의 특징을 가지고 있으므로(실제 측정의 예는 그림 2 참조) 상당한 대역 외 감쇄를 통해 원하는 IF 입력 주파수 중심에 맞출 수 있다. 이러한 대역통과 신호는 오버 샘플링되어 디지털화되고 디지털 방식을 통해 기저대역으로 데시메이션 및 주파수 하향 변환되고, 그림 1(a)의 경우보다 훨씬 낮은 데이터 속도에서 훨씬 적은 전력을 사용하여 디지털 ASIC으로 전송된다. 
 
그림 1. (a) 전통적인 나이퀴스트 주파수에 의한 스위치 커패시터 방식의 ADC와 (b) 연속 시간 Δ-Σ ADC를 사용하여 구현한 헤테로다인 리시버 신호 체인
 

그림 2. 중심 주파수가 1GHz인 단일 톤의 입력 신호에 대해서 필터 대역폭 75MHz, 중심 주파수 1GHz, 그리고 잡음 대역폭 366.2kHz에서 실험을 통해 얻은 디지털 출력(파란 실선 그래프). DS 주파수 특성을 살펴보면 양자화 잡음(conversion quantization noise)을 해당 통과 대역 내에서 낮게 형성되고 원하는 신호의 전력은 대역 외보다 높게 형성된다. 

위쪽 그래프를 살펴보면 중심이 1GHz이고, 대역폭이 75MHz인 대역저지 주파수 특성이 명확히 나타난다. 함께 표시된 붉은 점선을 보면, 원하는 입력 주파수 대역 보다 훨씬 넓은 평탄도를 유지하고 있음을 알 수 있다. 

하단 그래프는 대역 내 75MHz의 대역폭을 확대해 자세히 나타낸 그래프이다. 아래의 그래프는 일부를 선택해 대역 외의 성분을 모두 생략한 그래프 로서 75MHz 폭의 대역 좌우에 나타나는 높은 잡음전력, 대역 외 왜곡, 대역 외 간섭원 신호등을 디지털 방식을 통해 상당히 높은 주파수 선택도 특성의 필터로 필터링한 것으로 CTDS의 출력에서 전송하기 전에 기저 대역으로 변환된 신호를 나타낸다. 
위에서 설명한 시스템 수준에서의 단순화가 가능한 것은 CTDS 와 다른 고속 ADC 아키텍처간의 근본적인 아키텍처 차이 때문이다. 

이러한 단순화를 통해 추가로 얻을 수 있는 장점
이러한 단순화를 통해 상당한 장점을 추가로 얻을 수 있다. 그림 1(a)에서 구동 증폭기는 신호체인의 전반적인 잡음 지수에 영향을 끼치기는 하지만 ADC만큼 전력을 소비하게 된다. 또한, 그림 1(a)의 AAF는 쉽게 통합이 불가능 하다. 더욱이 주파수 Plan에 따른 IF 주파수 선정과 신호 체인을 어떻게 구현하느냐에 따라 새로운 필터를 적절히 설계해야 한다. 숙련된 시스템 설계자는 그러한 필터를 구현하는 데 다른 부품 선택과 달리 시간이 많이 소모될 수 있다는 것을 잘 알고 있다. 동일한 필터 기능 이지만 신규 IF 선정에 따라 다른 부품을 선택하면 나이퀴스트 ADC의 프런트 엔드 샘플링 회로와의 비선형적 상호작용으로 인하여 선형적인 특성에 있어 기존의 설계와 현격히 다른 결과가 나타날 수 있다. 

반대로, 그림 1(b)에서는 AAF 필터가 사라지고 프런트 엔드 샘플링 회로는 CTDS 의 저항 입력으로 대체되므로 필터링 블럭은 CTDS에 의해 구현되며 아나로그디바이스의 기술을 통해 디지털프로그램을 통해서 주파수를 특성을 설정할 수 있다.

따라서 완전히 동일한 CTDS 를 다른 신호 체인에서 호환하여 사용할 수 있으며 디지털 방식으로 원하는 주파수와 대역폭에 맞출 수 있으므로 훨씬 더 간단한 아키텍처 구현이 가능하며 전반적인 플랫폼 개발 절차도 빨라진다. 그림 1(b)의 신호 체인이 그림 1(a)과 동일한 기능과 성능을 구현하면서도 전력 소비가 더 낮고 컴팩트한 설계가 가능하다는 점은 말할 것도 없다. 

이러한 기술의 예는 그림 3에서 보듯이 아나로그디바이스 AD6676의 블록 다이어그램에서 확인할 수 있다. 블럭 다이어 그램에서 ADC 후반부에 존재하는 블럭은 가변 밴드패스 CTDS 를 내장하고 있는 통합 IF 디지털화 서브 시스템을 나타낸 것으로서, 매우 높은 동작영역의 신호를 처리하기 위한 디지털 필터링과 다운 변환 기능, 자동 이득 제어 기능, 집적화된 클록 생성기 그리고 JESD204B 직렬 출력 인터페이스를 제공한다. 

통과 대역의 중심 주파수(IF)는 70MHz~450MHz로 디지털 방식으로 조정이 가능하며, 대역폭 또한 다양하게 대역 내 잡음 스펙트럼 밀도를 조절하기 위해를 위해 20MHz~160MHz로 프로그램이 가능하다.
 

그림 3. 아나로그디바이스 AD6676의 기능 블록 다이어그램.

이 부품의 성능은 데이터 시트에서도 확인할 수 있듯이 다양한 광대역 휴대 전화 인프라 장비, 중계기, P2P 마이크로웨이브 장비, 스펙트럼 분석기, 통신 계측 등에 적용이 가능하다. 

결론
CTDS ADC를 사용하면 신호 체인을 단순화하고 성능을 최적화하며 시스템 설계의 유연성을 높이고 개발 노력을 줄일 수 있다.  CTDS ADC는 몇 가지 장점 덕분에 저전력의 다양한 휴대용 어플리케이션에 널리 사용되어 왔다. 최근 IC 기술에서의 여러 혁신적인 기술 덕분에 CTDS 는 많은 통신 인프라와 계측 시스템의 엄격하고 높은 ADC 동적 성능 요건을 만족시키는 동시에 대역 내 및 대역 외 간섭원이 존재하더라도 안정적으로 동작을 지속할 수 있게 되었다. 

밴드패스 CTDS 고속 컨버터 IF 서브 시스템은 통합 기능 외에도 디지털 주파수 하향 변환과 함께 프로그램에 의한 IF 중심 주파수의 변경, 다른 집적화된 기능과 함께 ADC뒷단의 필터링에 의한 후처리 등과 같이 유연하고도 강력한 SDR(Software Defined Radio)기능을 제공한다. 

더욱이 이를 사용하면 메인 스트림 ADC 기술에서 나타나는 여러 신호 조정 관련 문제점이 사라지므로 시스템 수준에서 신호 체인이 전체적으로 간단해지고 유연성이 증가하며 최적화된 성능을 얻을 수 있다. 

 
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