오디오용 저전력, 고해상도 4차 델타-시그마 데이터 변환기

Abstract

스마트폰, 웨어러블 기기 그리고 IOT 산업이 발달 하고 있다. 이에 따라 대부분의 기기 들이 음성인식과 터치센서 등 사람으로부터 신호를 받아 처리를 한다. 특히, 사람의 음성에 반응하여 동작을 하는 기기들이 많다. 따라서 음성센서의 중요성이 대두되고 있다. 대부분의 기기들은 휴대가 가능하게 제작되어 배터리로 운용된다. 따라서 배터리의 용량에 많은 제약을 받게 된다. 그 결과 저전력에 대한 요구 조건이 더욱 높아지고 있다. ADC(analog-to-digital converter)에는 Flash ADC, SAR ADC, pipeline ADC등 다양한 종류의 ADC가 있지만 음성 신호 대역에서 사용되는 아날로그 데이터 변환기는 비교적 좁은 신호 대역을 가지고 있으며 상대적으로 저전력과 높은 해상도를 얻을 수 있는 델타-시그마 모듈레이터(delta-sigma modulator)가 적합하다[1]. 높은 해상도를 얻기 위한 델타-시그마 모듈레이터의 여러 가지 방법은 다음과 같다. OSR(oversampling ratio)과 모듈레이터의 차수를 증가시키거나, 높은 비트 수의 양자화기를 사용하는 등의 보편적인 방법이 있다[2]. 대부분의 음성신호는 마이크에서 생성되는 신호의 크기가 중요하다. 마이크에서 생성되는 신호의 크기는 일반적으로 매우 작으므로 ADC의 효율적인 동작을 위해서는 적절한 이득을 갖는 프리앰플리파이어를 사용하는 것이 바람직하다.

본 논문에서는 음성대역에서 사용하는 4차 CIFF(cascade of integrator with feedforward form)구조를 가진 이산시간 델타-시그마 모듈레이터를 설계를 하는 것이 목적이다. 설계한 ADC는 TSMC 65-nm CMOS 공정을 사용하였으며, 측정결과 7.5-kHz의 신호대역에서 640-kHz 의 샘플링 주파수를 가지며, 79-dB의 SNR(signal to noise ratio)을 달성하였다. 또한, 1.2-V 전원 전압에서 300-μW를 가지며, 면적은 0.90mm X 0.61mm이다.