Comparator 종류 : Continuous-time comparator vs Dynamic comparator

ADC 뿐만 아니라 많은 circuit 에서 중요한 것 중 하나가 바로 이 comparator 입니다. Comparator 는 amplifier, pll, ldo 등과 더불어 가장 많이 설계되고 사용되는 block 중 하나이죠. 이 글은 comparator 를 많이 설계해보신 분들을 위한 글이 아니라, 이제 막 comparator 를 설계하려 하는 걸음마를 뗀 분들을 위한 글입니다. 별거 아닐 수도 있지만 처음에 접하면 많이 헷갈릴 수 있는 부분이기에 정리해두려 합니다.

 

Comparator 에는 크게 2가지 type 이 있습니다. 일반적으로 이렇게 분류하는 책이 많지 않은 걸로 아는데, 그렇기에 초반에 잘못 생각하면 헷갈리기 쉽습니다. 1번째 type 으로는 Continuous-time comparator 입니다.

우리가 comparator 를 처음 접할 때 배우는 많은 comparator 들이 이 type 에 속합니다. 위에서 보이는 것처럼 resistive feedback 을 건 comparator 또한 이런 type 이죠. 이런 continuous-time comparator 의 특징은 계속해서 comparating 동작을 하며 input 1 이 input 2 보다 커지는 순간 output 에 1 신호가 뜨게 됩니다. 결국 쉽게 말해서 gain이 엄청나게 큰 amplifier 와 다름없죠. 이 Amplifier는 심지어 input-range 에 따라 모든 mosfet 이 saturation 영역에 있을 필요도 없습니다. 물론 이 comparator 또한 우리가 원하는 가장 gain 이 큰 지점에서는 모든 mosfet이 saturation 이 되도록 설계하는 것이 필수적이지만, input이 한쪽이 조금이라도 커지는 순간 output 이 1 혹은 0 으로 가면서 saturation 영역에서 벗어나게 됩니다.

 

우리가 일반적으로 원하는 것은 두 input 중 어느 것이 더 크냐이기 때문에 언뜻 보면 continuous-time comparator는 별로 필요가 없어보입니다. 특정 순간에 input 을 capture (bootstrapped-switch) 한 다음에 비교하는게 더 편해보이죠. 하지만 이러한 continuous - time comparator 가 필요한 몇 가지 경우가 있습니다. 그중 하나인 VTC(Voltage to Time converter) 를 보도록 하죠.

많은 VTC 종류가 있지만 continuous-time comparator 를 이용해서 VTC를 만들 수도 있습니다. 위와 같이 continuous - time comparator 에다가 한쪽 input 에는 우리가 원하는 input voltage 를 그리고 한쪽에는 ramp voltage 를 만들고 output을 보면 되죠. 이렇게 하면 ramp voltage 가 input voltage 보다 더 클 때 output 이 1이 되므로 input voltage 에 비례한 time output 을 얻게 됩니다. input voltage가 작으면 output 이 더 빨리 1이 되고 input voltage 가 크면 output 이 더 늦게 1이 되죠.

이러한 VTC 가 있다면, 2개의 VTC 와 간단한 flip-flop 을 이용해 Voltage to time converting 을 한 후 time to digital converting 을 하여 결론적으로 ADC 동작을 할 수 있습니다. Reference voltage 보다 큰지 작은지를 time domain 에서 비교하여 알 수 있는거죠. 이러한 회로는 언뜻 보기에는 더 어려워보이지만, time-domain 에서 digital converting 하는 장점이 여러 개 있기 때문에 활발한 연구가 이뤄지고 있는 분야입니다.

 

 

 

 

2번째 type으로는 Dynamic comparator 가 있습니다. Dynamic comparator 는 쉽게 말해서 특정 순간의 전압에 대해서만 comparator 동작을 하는 블락입니다.

따라서 이 dynamic comparator 는 clk 이 필수적입니다. 특정 순간에 comparator 동작을 하기 때문이죠. 위와 같이 preamplifier 와 latch 로 이루어진 구조가 가장 보편적입니다. 이러한 dynamic comparator 는 가장 많이 쓰이는 comparator 로 여러 장점이 있습니다. 우선 기본적으로 continuous-time comparator 에 비해 설계를 쉽게 할 수 있죠.(budget 만 널널하다면) 그리고 원리가 단순하기 때문에 변형을 하기 쉽습니다.

왜냐하면 본질적으로는 fighting inverter cell 을 이용한 latch 구조가 많기 때문이죠.

 

 

 

두 comparator 는 다 알고나면 정말 쉬운 구분이지만, 처음에 comparator 를 설계할 때는 조금 모호한 개념일 수 있습니다. 따라서 초반에 잘 구분하고 배워나간다면 더 쉽게 설계하실 수 있습니다.

 

이상입니다.