[Converter] SAR ADC(Successive Approximation Register) 원리부터 장단점 - ADC(4)

 

 

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안녕하세요.

안녕하세요! 오늘은 SAR ADC(Successive Approximation Register ADC, 연속 근사 레지스터 ADC)에 대해 자세히 알아보겠습니다.
SAR ADC는 고속, 저전력, 중간 정도의 해상도를 제공하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)로,
센서 데이터 수집, 오디오 신호 처리, 임베디드 시스템 등 다양한 분야에서 활용됩니다. 

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이전 포스팅에서 다양한 Conver에 대해 설명하였습니다. 필요시 참고해 보시고 특히 SAR가 ADC에 해당하는 만큼 ADC에 대해서는 반드시 인지하고 가세요

[Converter] 컨버터 종류 AC, DC (1)

 

[Converter] AC to DC 컨버터: 트랜스 방식 vs 스위칭 방식 (2)

 

[Converter] DC to AC 컨버터: 디코더 방식, 전압 분배 방식, 바이너리 방식, 온도계 코드 방식 (3)

 

[Converter] DC to DC 컨버터: 리니어 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터 (4)

 

[ADC 종류]

1. Sigma Delta ADC
https://semicircuit.tistory.com/entry/Converter-%CE%94%CE%A3-Sigma-Delta-ADC-ADC4
2. Flash ADC
https://semicircuit.tistory.com/entry/Converter-Flash-ADC-ADC1 
3.Pipeline ADC
https://semicircuit.tistory.com/entry/Converter-Pipeline-ADC-ADC2
4.SAR ADC
https://semicircuit.tistory.com/entry/Converter-SAR-ADCSuccessive-Approximation-Register-%EC%9B%90%EB%A6%AC%EB%B6%80%ED%84%B0-%EC%9E%A5%EB%8B%A8%EC%A0%90

 

 

 

※1. SAR ADC란?

SAR ADC는 Successive Approximation Register(연속 근사 레지스터 (=축자 비교 레지스터))를 사용하여 입력 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 방식입니다.
이름 그대로 근사적인(축자 비교) 방식(Successive Approximation)으로 변환하는 기법을 사용합니다.

즉, 입력 전압을 이진 탐색(Binary Search) 방식으로 비교하면서 점진적으로 정확한 디지털 값을 찾아가는 구조입니다.

 

 

 

 

※2. SAR ADC의 동작 원리

SAR ADC의 변환 과정은 아래와 같은 단계로 진행됩니다. 

▶1. 샘플링 및 홀딩 (Sample & Hold) 표본화(Quantinization)

입력 아날로그 신호를 S/H 회로(Sample & Hold Circuit)가 순간적으로 유지(Sample)하여 안정적인 값을 유지. 

 

▶2. 연속 근사 과정 (Successive Approximation)

 

• 내부 DAC(Digital-to-Analog Converter, D/A 변환기)를 사용하여 비교기(Comparator)와 함께 이진 탐색(Binary Search) 방식으로 변환 진행.
• MSB(Most Significant Bit, 최상위 비트)부터 하나씩 값을 결정하여 점진적으로 정확한 디지털 값을 찾아감.
• 입력 전압(표본화된 전압)과 DAC 출력 전압을 비교합니다.
  [예제 (3비트 SAR ADC)]
  예를 들어, 0V ~ 8V 범위를 3비트(8단계)로 변환하는 경우를 가정해보겠습니다.
  1. 신호 입력:
     • 입력 신호: 5.2V
  2.  첫 번째 단계: 
     • DAC 출력: 4V(중간값)
     • 비교기(Comparator) 판단: 입력 신호 > DAC 출력 → MSB(첫 번째 비트) = 1
  3. 두 번째 단계:
     • DAC 출력: 6V (4V + 2V)
     • 비교기 판단: 입력 신호 < DAC 출력 → 두 번째 비트 = 0
  4. 세 번째 단계:
     • DAC 출력: 5V (4V + 1V)
     • 비교기 판단: 입력 신호 > DAC 출력 → 세 번째 비트 = 1
  결과적으로 5.2V → 101(2) = 5(10)로 변환!
• 이후 LSB까지 동일한 방식으로 반복 비교하여 디지털 값으로 변환을 완료합니다.
• SAR 레지스터는 최종 결정된 디지털 값을 출력합니다.한 번의 변환 과정에서 N비트 ADC는 N번의 비교 과정을 거쳐 변환 완료!

 

 

 

 

※3. SAR ADC의 장점과 단점

▶1. SAR ADC의 장점

- 고속 변환 가능 → 이진 탐색 방식이므로 N비트 ADC는 N번의 비교만 수행하여 빠른 변환이 가능
- 저전력 설계 가능 → 플래시 ADC보다 전력 소모가 낮아 저전력 시스템에 적합
- 중간 정도의 해상도 지원(8~14비트 일반적) → 충분한 분해능을 제공하며, 다양한 응용 가능
- 비용 대비 성능 우수 → 플래시 ADC보다 회로가 단순하여 저렴한 가격에 구현 가능

 

▶2. SAR ADC의 단점

- 속도가 플래시 ADC보다 느림 → 한 번의 변환에 여러 단계(Clock Cycle)가 필요하여, 초고속 변환에는 적합하지 않음
- 고해상도(16비트 이상) 구현이 어려움 → 비교기와 DAC의 정밀도가 요구됨
- 노이즈 영향을 받을 수 있음 → 샘플링 과정에서 신호가 불안정하면 정확도가 떨어질 수 있음

 

 

 

 

※4. SAR ADC vs 다른 ADC 비교

구분	SAR ADC	Flash ADC	Sigma-Delta ADC
속도	중간 (수십 MHz)	매우	느림 (Hz ~ kHz)
해상도	8 ~ 14비트	6~8비트	16~24비트
소비 전력	낮음	높음	낮음
회로 복잡도	중간	매우 높음	높음
적용 분야	센서, 저전력 임베디드	고속 통신, 영상	오디오 신호, 계측기

 

 

 

※5. SAR ADC의 주요 활용 분야

🔹 센서 인터페이스 (Temperature, Pressure, Accelerometer)

• IoT, 의료 기기, 산업용 센서 등에서 저전력 고해상도 변환에 활용
  
  

🔹 임베디드 시스템 및 마이크로컨트롤러 (MCU)

• ARM Cortex 기반 MCU에서 내장 SAR ADC를 사용하여 센서 데이터 변환
  
  

🔹 오디오 및 음성 처리

• 음성 인식 시스템, 오디오 코덱 등에서 10~14비트 변환으로 적용
  
  

🔹 전력 모니터링 및 계측 장비

• 전압/전류 감지, 배터리 관리 시스템(BMS) 등에서 사용

 

 

SAR ADC는 빠르고 효율적인 아날로그-디지털 변환 방식으로,
특히 임베디드 시스템, 센서 데이터 수집, 오디오 처리 등의 분야에서 널리 활용됩니다.

SAR ADC는 비용 대비 성능이 뛰어나고, 다양한 임베디드 및 센서 응용에 적합한 ADC입니다
이상으로 SAR ADC에 대한 설명을 마치겠습니다. 감사합니다.