[Converter] ΔΣ ( Sigma Delta ) ADC - ADC(1)

 

 

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안녕하세요.

안녕하세요! 오늘은 정밀 센서 및 오디오 신호 처리에 필수적인
Sigma-Delta ADC(Σ-Δ ADC)에 대해 자세히 알아보겠습니다.

Sigma-Delta ADC는 고해상도(16~24비트)를 제공하며,
소비 전력이 낮아 센서 인터페이스, 오디오 변환, 계측기 등에 널리 활용됩니다.

그럼 Sigma-Delta ADC의 원리, 장단점, 그리고 활용 사례까지 하나씩 살펴보겠습니다.

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이전 포스팅에서 다양한 Conver에 대해 설명하였습니다. 필요시 참고해 보시고 특히  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. Sigma-Delta ADC란?

Sigma-Delta ADC(Σ-Δ ADC)는 오버샘플링(OverSampling)과 노이즈 셰이핑(Noise Shaping) 기법을 이용해 고해상도를 달성하는 ADC입니다.

기본적으로, 1비트 또는 저해상도 ADC를 사용해 초고속 샘플링을 수행하고,
디지털 필터를 통해 높은 해상도의 신호를 추출하는 방식으로 동작합니다.

[ Sigma-Delta ADC의 핵심 특징 ]
- 고해상도 (16~24비트) 가능
- 노이즈 감소 효과 (Noise Shaping 기법 활용)
- 저전력 & 저속 동작에 최적
- 센서 및 오디오 신호 변환에 활용

 

 

 

※2. Sigma-Delta ADC의 동작 원리

Sigma-Delta ADC는 크게 Σ-Δ 변조기(Sigma-Delta Modulator)와 디지털 필터로 구성됩니다.
변조기에서 신호를 초고속 샘플링한 후, 디지털 필터를 사용해 고해상도 변환을 수행합니다. 

 

Stage1. 적분기 (Integrator)

• 입력 아날로그 신호는 적분기를 통해 적분됩니다. 적분기는 시간에 따라 입력 신호의 누적 값을 추적합니다.
• 이 과정에서 아날로그 신호는 오버샘플링(OverSampling) 방식으로 매우 높은 주파수로 샘플링됩니다.
• 입력 신호의 적분값(Σ, 시그마)을 계산하여 변화량을 추적
• 즉, 신호의 장기적인 추세를 추적하는 역할을 하며, 잡음을 필터링하고 신호를 평균화하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

Stage2. 차분기 (Differencer) 

• 적분된 신호와 입력 신호의 차이를 계산합니다.
• 이 차이는 오차 신호(Residue)가 됩니다. 차분기를 통해 신호와 잡음을 구분할 수 있고, 이를 통해 노이즈 셰이핑을 진행합니다.
• 노이즈 셰이핑은 저주파 대역에서의 신호 성능을 향상시키기 위한 기법으로, 잡음을 높은 주파수 대역으로 이동시켜 원하는 신호 대역에 영향을 미치지 않도록 합니다.

 

Stage3. 1비트 ADC

 

• 차분기에서 나온 오차 신호는 1비트 ADC를 통해 디지털 신호로 변환됩니다.
• 이 ADC는 1비트로 매우 빠르게 신호를 샘플링하여 변조합니다.
• 변환된 신호는 비트스트림(Bitstream) 형태로 출력됩니다. 이 비트스트림은 1비트의 디지털 신호로, 주파수가 매우 높고, 이 비트스트림을 통해 후속 처리를 통해 원래 아날로그 신호를 복원합니다.

 

Stage4. Decimation Filter

• 다운샘플링된 데이터는 디지털 저역 통과 필터(Low-pass Filter)를 거칩니다.
• 필터는 저주파 성분만을 추출하고, 고주파 성분은 제거합니다. 이 과정에서 신호 품질이 향상됩니다.
• 필터링된 신호는 원하는 해상도로 변환되어 출력됩니다.

 

 

Cf) 디지털 필터의 역할 (Decimation)

• Decimation은 오버샘플링된 데이터를 샘플 수를 줄여서 원하는 해상도를 얻는 과정입니다.
• Decimation filter는 필터링과 다운샘플링을 통해, 1비트 변조기에서 얻은 1비트 데이터를 원하는 고해상도(16비트 이상)로 변환합니다.

 

 

 

 

 

[ Sigma-Delta ADC의 동작 예시 - 예시: 16비트 해상도의 Sigma-Delta ADC ]

1. 입력 신호:
   • 1kHz 주파수의 아날로그 신호가 Sigma-Delta ADC에 입력됩니다.
2. Sigma-Delta 변조기 동작:
   • 입력 신호는 적분기를 거쳐 고속 샘플링되고, 차분기에서 오차 신호가 계산됩니다.
   • 1비트 ADC는 이 오차 신호를 매우 높은 주파수로 샘플링하여 비트스트림 형태로 변환합니다.
3. 디지털 필터링:
   • 디지털 저역 통과 필터는 비트스트림에서 원하는 저주파 신호를 추출하고, 다운샘플링하여 16비트 해상도의 디지털 신호를 생성합니다.
4. 출력:
   • 필터링된 고해상도 디지털 신호가 출력되어 다음 단계로 전달됩니다.

이 과정에서 오버샘플링과 노이즈 셰이핑 덕분에 정밀한 신호 변환이 가능해집니다.

 

 

※3. Sigma-Delta ADC의 고유 특성

▶1. 오버샘플링(OverSampling)

Sigma-Delta ADC는 Nyquist 주파수보다 훨씬 높은 샘플링 속도로 신호를 처리합니다.
이 과정을 통해 샘플링된 신호는 보다 정확한 정보를 포함하게 되며, 이를 디지털 필터로 처리하면서 신호를 개선합니다. 

 

▶2. 노이즈 셰이핑(Noise Shaping)

노이즈 셰이핑은 잡음을 고주파 대역으로 이동시켜 저주파 신호 대역에서 잡음의 영향을 최소화하는 기법입니다.
이 기법은 고해상도 ADC에서 노이즈를 감소시키는 데 매우 효과적입니다. 

 

▶3. 1비트 ADC

Sigma-Delta ADC는 1비트 ADC를 사용하여 빠른 샘플링을 수행하고, 이 1비트 데이터를 디지털 필터링을 통해 고해상도 신호로 복원합니다. 

 

 

※4. Sigma-Delta ADC의 장점과 단점

▶1. Sigma-Delta ADC의 장점

(1) 고해상도 지원 (16~24비트 이상)

  ->오버샘플링과 디지털 필터링을 통해 정밀한 변환 가능

 

(2) 노이즈에 강함 (Noise Shaping 효과)

  ->저주파 대역에서 노이즈를 효과적으로 제거하여 높은 신호 품질 유지

(3) 소비 전력 낮음
  ->간단한 하드웨어 구조 덕분에 저전력으로 동작 가능

(4) 저속 신호 변환에 적합

  -> 센서 신호, 오디오 신호 등 저주파 신호 처리에 최적화

 

▶2. Sigma-Delta ADC의 단점

(1) 변환 속도가 느림
  ->오버샘플링을 사용하기 때문에 고속 변환에는 부적합

 

(2) 레이턴시(변환 지연) 발생

  -> 디지털 필터를 사용하기 때문에 출력 신호가 일정 시간 지연됨

 

(3)  고속 신호 변환에 비효율적

  -> 10MHz 이상의 고속 데이터 변환에는 Flash ADC나 Pipeline ADC가 더 적합

 

 

 

 

 

 

 

※5. Sigma-Delta ADC vs 다른 ADC 비교

구분	Sigma-Delta ADC	SAR ADC	Pipeline ADC	Flash ADC
속도	느림 (수 Hz~수 MHz)	중간 (수십 MHz)	빠름 (100MSPS~1GSPS)	매우 빠름(GHz급)
해상도	높음 (16~24비트)	높음 (8~14비트)	높음 (10~16비트)	낮음 (6~8비트)
소비 전력	낮음	낮음	중간	높음
회로 복잡도	낮음	낮음	중간	높음
적용 분야	센서, 오디오, 계측기	임베디드 시스템	고속 신호 변환	RF, 초고속 신호

 

Sigma-Delta ADC는 고해상도(16~24비트)와 저전력 동작을 필요로 하는 응용에서 필수적인 ADC입니다.
특히, 오버샘플링과 노이즈 셰이핑 기법을 통해 노이즈 제거 및 정밀 변환을 수행할 수 있어
센서 데이터 처리, 오디오 변환, 의료 장비 등에 폭넓게 활용됩니다.

- 장점: 고해상도 + 저전력 + 노이즈 제거 효과
- 단점: 변환 속도 느림 + 출력 지연 발생
- 활용: 센서 데이터, 오디오 변환, 의료 계측 장비, 저속 신호 측정

오늘도 유익한 정보가 되었길 바라며, 궁금한 점은 댓글로 남겨주세요