[Converter] Pipeline ADC - ADC(3)

 

 

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안녕하세요.

안녕하세요! 오늘은 고속 데이터 변환과 고해상도 신호 처리를 모두 만족하는 Pipeline ADC(파이프라인 ADC)에 대해 깊이 있게 알아보겠습니다.

Pipeline ADC는 SAR ADC보다 빠르고, Flash ADC보다 하드웨어 부담이 적은 고속 & 고해상도 ADC로 다양한 응용 분야에서 활약하고 있습니다.

그럼 Pipeline 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. Pipeline ADC란? 

Pipeline ADC는 단계별(스테이지)로 변환을 수행하는 구조를 가진 ADC입니다.
각 스테이지에서 입력 신호를 일정 비트씩 변환하고,
남은 오차 신호(Residue)를 다음 단계에서 다시 변환하는 방식으로 동작합니다.

즉, 한 번에 전체 신호를 변환하는 것이 아니라, 비트 단위로 순차적으로 변환하며,
이를 통해 고속 변환(수십수백 MHz)과 고해상도(1016비트)를 동시에 실현할 수 있습니다.

[ Pipeline ADC의 핵심 특징 ]
-  Flash ADC보다 회로 복잡도 낮음 → 병렬 비교기 개수를 줄임
- SAR ADC보다 빠름 → 여러 단계(Stage)에서 동시 변환 진행
- 고속 & 고해상도 변환 가능

 

 

※2. Pipeline ADC의 동작 원리

Pipeline ADC는 여러 개의 **변환 스테이지(Stage)**로 구성됩니다.
각 스테이지에서 일부 비트를 변환한 후, 남은 신호를 다음 스테이지에서 처리합니다.

Step1. 첫 번째 스테이지(첫 번째 변환기)

• 입력 아날로그 신호를 소규모 Flash ADC(1~4비트)로 디지털 변환
• 변환된 신호를 DAC를 통해 다시 아날로그 신호로 복원
• 원래 입력 신호와 변환된 신호의 차이를 구해 오차(Residue) 신호 생성

Step2. 다음 스테이지로 전달

• 첫 번째 스테이지에서 남은 **오차 신호를 증폭(Residue Amplifier)**하여 다음 스테이지로 전달
• 이 과정을 반복하며 추가적인 비트를 변환

Step3. 모든 스테이지 변환 완료 후 디지털 출력 생성

• 각 스테이지에서 얻은 디지털 신호를 **정렬 및 보정(디지털 정합, Digital Correction)**하여 최종 디지털 값 생성

 

 

 

[예제 (3스테이지, 8비트 Pipeline ADC)]

• 1스테이지: 3비트 변환 (Flash ADC) → Residue 계산 후 증폭
• 2스테이지: 3비트 변환 → Residue 계산 후 증폭
• 3스테이지: 2비트 변환
• 최종 출력: 3 + 3 + 2 = 8비트 디지털 값 완성

이처럼, 각 단계에서 변환을 수행하고 남은 오차 신호를 증폭하여 다음 단계에서 변환하는 구조가 Pipeline ADC의 핵심 동작 원리입니다.

 

 

 

 

※3. Pipeline ADC의 장점과 단점

▶1. Pipeline ADC의 장점

(1) 고속 변환 가능 (수십~수백 MHz)
  ->여러 스테이지가 동시에 동작하여 병렬 처리 효과 발생

(2) 고해상도 지원 (10~16비트)
  ->오차 보정이 가능하여 높은 해상도 신호 변환 수행

(3) Flash ADC 대비 하드웨어 효율적
  ->비교기 개수를 줄여 회로 복잡도 감소, 소비 전력 절감

 

(4) SAR ADC보다 빠름
  ->SAR ADC는 비트별 변환을 순차적으로 수행하지만, Pipeline ADC는 여러 비트를 동시에 변환하여 속도 향상

 

▶2. Pipeline ADC의 단점

(1) 레이턴시 존재
  ->여러 스테이지를 거치면서 변환이 이루어지므로 출력 지연 발생

(2) 캘리브레이션 필요
  ->각 스테이지에서 발생하는 오차를 보정하기 위한 디지털 보정 회로 필요

(3) 소비 전력 SAR ADC보다 높음
  ->여러 스테이지에서 증폭기와 비교기가 동작하므로 전력 소모 증가

 

 

 

 

※4. Pipeline ADC vs 다른 ADC 비교

구분	Pipeline ADC	Flash ADC	SAR ADC
속도	빠름 (100MSPS ~ 1GSPS)	매우 빠름 (GHz 급)	중간 (수십 MHz)
해상도	높음 (10~16비트)	낮음 (6~8비트)	높음 (8~14비트)
소비 전력	중간	높음	낮음
회로 복잡도	중간	매우 높음	낮음
적용 분야	고속 데이터 변환 (이미지 센서, 무선 통신)	초고속 신호 변호나 (RF, 계측기)	저속 고행사도 변환 (센서, 임베디드)

 

 

 

Pipeline ADC는 고속과 고해상도를 동시에 지원하는 ADC입니다.
Flash ADC보다 하드웨어 효율적, SAR ADC보다 빠른 속도를 제공하여
영상 처리, 무선 통신, 계측기, RF 시스템에서 널리 활용됩니다.

✅ 장점: 빠른 속도 + 높은 해상도 + Flash ADC 대비 회로 간소화
✅ 단점: 변환 지연(레이턴시) 존재, 디지털 보정 필요
✅ 활용: CMOS 이미지 센서, 무선 통신, 의료 영상, 데이터 계측기

오늘도 유익한 정보가 되었길 바라며, 궁금한 점은 댓글로 남겨주세요

이상으로 Pipeline ADC에 대해 마치겠습니다. 감사합니다.