SAR vs 델타-시그마 vs 파이프라인 vs 플래시 ADC: 아키텍처 비교

아날로그-디지털 변환기(ADC)는 여러 방식으로 구현할 수 있으며, 각 아키텍처는 속도와 분해능 사이에서 서로 다른 절충을 택합니다. 플래시 ADC는 가장 빠르지만 비트 수가 적습니다. SAR ADC는 작고 저전력이며 중간 속도에서 범용으로 쓰입니다. 파이프라인 ADC는 중간~높은 분해능에서 고속을 달성합니다. 델타-시그마 ADC는 속도를 희생하고 가장 높은 분해능을 얻으므로 오디오와 정밀 센서에 이상적입니다.

비교 항목플래시SAR파이프라인델타-시그마
동작 방식2ᴺ − 1개의 비교기로 입력을 모든 문턱값과 한꺼번에 비교이진 탐색: 비교기 하나와 내부 DAC가 클록 사이클마다 한 비트씩 결정여러 단의 캐스케이드로, 각 단이 몇 비트를 분해하고 증폭된 잔차를 다음 단에 전달거친 변조기로 오버샘플링하며 잡음을 성형한 뒤 디지털 필터가 출력을 생성
대표 분해능4~8비트8~18비트8~16비트16~24비트 이상
대표 속도가장 빠름: 최대 수 GS/skS/s에서 수십~수백 MS/s10 MS/s에서 수백 MS/s가장 느림: 최대 약 1 MS/s
지연1클록N비트에 N클록수 클록디지털 필터 때문에 김
전력과 면적분해능에 따라 급격히 증가하며 크고 전력 소모가 큼매우 낮은 전력과 작은 크기중간~높음중간. 디지털 필터가 면적을 차지
안티에일리어싱 필터급준한 필터 필요급준한 필터 필요급준한 필터 필요오버샘플링 덕분에 완화됨
대표 용도고속 오실로스코프, 광통신 및 무선 수신기, 파이프라인 내부의 서브 ADC마이크로컨트롤러 ADC, IoT 센서, 범용 데이터 수집비디오, 통신, 이미징 시스템오디오 코덱, 저울, 정밀 측정

수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.

상황별 선택 기준

플래시
극도의 속도가 필요하고 비트 수가 적어도 될 때, 또는 다른 아키텍처 내부의 고속 구성 요소로 쓸 때.
SAR
중간 속도와 중간~높은 분해능의 기본 선택이며, 특히 전력과 크기가 중요할 때.
파이프라인
비디오와 무선 수신기처럼 높은 속도와 좋은 분해능이 모두 필요할 때.
델타-시그마
오디오, 저울, 저주파 센서처럼 속도보다 분해능이 더 중요할 때.

자주 묻는 질문

가장 빠른 ADC 아키텍처는 무엇인가요?

플래시 ADC입니다. 입력을 모든 문턱값과 한꺼번에 비교하여 초당 수 기가샘플까지 도달할 수 있지만, 분해능은 몇 비트에 그칩니다.

델타-시그마 ADC가 매우 정확한 이유는 무엇인가요?

거친 변조기로 오버샘플링하여 양자화 잡음을 고주파 쪽으로 밀어내고, 디지털 필터가 이를 제거하기 때문입니다. 덕분에 낮은 속도에서 16~24비트의 분해능을 얻습니다.

SAR ADC란 무엇인가요?

축차 비교(successive-approximation) ADC는 비교기 하나와 내부 DAC를 사용해 클록마다 한 비트씩 결정하며 이진 탐색으로 입력값을 찾습니다. 작고 저전력이어서 마이크로컨트롤러에 흔히 쓰입니다.

플래시 ADC에 비교기가 그렇게 많이 필요한 이유는 무엇인가요?

N비트 플래시 ADC는 2ᴺ − 1개의 비교기가 필요합니다(8비트라면 255개). 따라서 분해능이 올라갈수록 크기와 전력이 급격히 증가합니다.

이해도 확인

플래시형 ADC의 특징으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A다수의 비교기를 병렬로 배치해 한 번에 변환하므로 빠르지만, 분해능을 높이면 회로 규모가 급증한다
  2. B1비트씩 차례로 비교하며 변환하므로 속도는 느리지만 회로가 작다
  3. C입력 전압을 오랜 시간 적분하므로 정밀하지만 변환이 느리다
정답과 해설 보기

정답: A. 다수의 비교기를 병렬로 배치해 한 번에 변환하므로 빠르지만, 분해능을 높이면 회로 규모가 급증한다

플래시형은 입력을 2ᴺ−1개의 비교기로 모든 문턱값과 동시에 비교하므로 한 번의 비교로 변환이 끝나며, 가장 빠른 방식입니다(수 GS/s급). 대신 N비트에서 비교기가 2ᴺ−1개 필요해 8비트에서 255개, 10비트에서 1023개로 급증하고, 면적·소비 전력·입력 용량이 커집니다. 그래서 6~8비트 정도의 초고속 용도에 사용되며, 파이프라인형이나 서브레인징형의 구성 요소로도 쓰입니다.

축차 비교형(SAR형) ADC의 동작으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A입력 전압을 일정 시간 적분한 뒤 방전에 걸리는 시간을 측정한다
  2. B상위 비트부터 차례로 내부 DAC의 출력과 입력 전압을 비교하여 1비트씩 결정해 나간다
  3. C오버샘플링과 노이즈 셰이핑으로 높은 분해능을 얻는다
정답과 해설 보기

정답: B. 상위 비트부터 차례로 내부 DAC의 출력과 입력 전압을 비교하여 1비트씩 결정해 나간다

축차 비교형은 최상위 비트부터 차례로 "입력이 내부 DAC의 출력보다 큰가"를 비교하여, 이진 탐색처럼 1비트씩 결정해 나갑니다. N비트 변환에 N번의 비교가 필요하고 비교기는 1개로 충분합니다. 속도(수 kS/s~수십 MS/s)·정밀도(8~18비트)·소비 전력의 균형이 좋아 마이크로컨트롤러 내장 ADC의 주류입니다. 적분을 사용하는 것은 이중 적분형이고, 오버샘플링을 사용하는 것은 ΔΣ형입니다.

ΔΣ(델타 시그마)형 ADC의 특징으로 옳은 것은 무엇인가?

  1. A오버샘플링과 노이즈 셰이핑으로 높은 분해능을 얻기 쉽다
  2. B모든 방식 중에서 변환이 가장 빠르다
  3. CN비트 변환에 2ᴺ−1개의 비교기가 필요하다
정답과 해설 보기

정답: A. 오버샘플링과 노이즈 셰이핑으로 높은 분해능을 얻기 쉽다

ΔΣ형은 신호 대역보다 훨씬 높은 주파수로 샘플링하고(오버샘플링), 피드백 루프로 양자화 잡음을 높은 주파수 쪽으로 밀어내어(노이즈 셰이핑) 디지털 필터로 제거합니다. 1비트의 거친 양자화기로도 낮은 주파수에서는 20비트 이상의 분해능을 얻을 수 있으며, 아날로그 부품의 정밀도에 크게 의존하지 않습니다. 오디오, 계측, 센서 판독에 쓰이지만 지연 시간(레이턴시)이 커서 고속 용도에는 적합하지 않습니다.

  1. 3비트 플래시형 ADC에 필요한 비교기(컴패레이터)의 수는 몇 개인가?
  2. N비트 축차 비교형 ADC가 1회 변환에서 수행하는 비교 횟수로 기본적으로 옳은 것은 무엇인가?
  3. ΔΣ형 ADC에서 고속의 거친 양자화 출력을 낮은 샘플링 주파수의 고분해능 데이터로 변환하는 디지털 회로는 무엇인가?

A/D·D/A 변환 문제 풀기

주요 용어 설명

逐次比較型ADC
内部のDACと比較器を使い、上位ビットから1ビットずつ決めていくADC。速度と精度、消費電力のバランスがよい。
ΔΣ型ADC
高い周波数でオーバーサンプリングし、量子化雑音を高い周波数へ追いやってから取り除くADC。音声や計測などの高分解能の用途に使う。
フラッシュ型ADC
多数のコンパレータを並べて入力を一度に比較する、最も高速なADコンバータ。Nビットには 2ᴺ − 1 個のコンパレータが必要で、分解能を上げると回路が急に大きくなる。
パイプライン型ADC
変換を複数の段に分け、各段が数ビットずつ決めて残りの誤差を次の段へ送る、流れ作業のようなADコンバータ。高速と中〜高分解能を両立する。

관련 비교